Концепт трёхвинтового вертолёта с узловым перекрытием винтов

Как уже упоминалось, одна из нерешённых проблем трёхвинтовой схемы - недостаточная компактность, обусловленная расположением винтов без перекрытия. Расположение же с перекрытием оказывается невозможным из-за опасности схлёстывания лопастей в перекрытых секторах.
Если два боковых винта можно перекрыть внедрением дисков (вплоть до 90% радиусов), то передний винт,- либо находящийся под ними, либо над ними нависающий, делает практически невозможным совместный наклон дисков: высотное расстояние между секторами в стороне наклона сокращается, ведя к практически неизбежному столкновению лопастей.
И всё же симметричное перекрытие трёх винтов (назовём его "узловым") было бы желательно реализовать, получив компактный и предельно сильный по тяге вертолёт.

Возможность противодействия сближению дисков при совместном наклоне найдена. Нужно, чтобы компенсировать сокращение вертикального расстояния, в момент наклона поднять тарелку переднего винта (в случае его расположения выше боковых) на высоту, равную этому сокращению. То есть ось (вал) винта должна двигаться в вертикальном направлении. Технически это вполне приемлемый уровень, 1 - 2 метра, такое расстояние теряется при сближении дисков.
Такое устройство должно срабатывать только тогда, когда передний винт наклоняется в сторону наклоняющегося бокового - с противоположной стороны расстояние между дисками не сокращается, а увеличивается.

Данный способ взаимодействия перекрытых дисков делает предпочтительной схему с расположением переднего винта выше боковых (оптимальный уровень перекрытия - 1/2 радиуса). Аэродинамически такой вариант приемлем, так как потоки боковых винтов мало зависят от потока переднего - он не затенит их из-за своего верхнего положения. Опасность затенения возникла бы при глубоком перекрытии боковых, как бы слитых в один диск, но предлагаемая схема ограничивает их перекрытие 1/2 радиусов - всего лишь 25% диаметра.
Боковые винты перекрываются друг с другом внедрением дисков и синхронизируются по вращению валов, как это делается у двухвинтовых вертолётов поперечной схемы.
Передний винт располагается с навесным перекрытием с ними на высоте около 1/8 длины лопасти относительно их дисков.
Нужно заметить, что совместный наклон вперёд винтов, расположенных таким образом, сокращения расстояния между дисками не вызывает (наоборот, оно увеличивается). Требующее компенсации сокращение расстояния происходит только при наклоне назад и вбок, в сторону, когда наклоны переднего и бокового совпадают.
Аргументом против представленной идеи может быть то, что теоретически возможно сделать изначально достаточный зазор между дисками переднего и боковых винтов и их движение по вертикальной оси не нужно. Однако такое неприемлемо конструктивно, так как высота расположения переднего ротора и соответственно создаваемой им подъёмной силы будет неприемлемо большой. Недаром выбранный вариант предполагает изменение высоты положения диска только в периодически возникающие моменты - бокового крена и реверса, причём угол наклона и соответственно изменение высоты в этом случае минимальны.

Угол наклона переднего винта жёстко синхронизируется с углом наклона бокового в совпадающую сторону. Для этого применяется синхронизатор, являющийся элементом гидравлического привода управления винтами. Вращение вала переднего винта с вращением валов боковых синхронизации не требует.

Расположение двигателей при трёх винтах наиболее целесообразно централизованное, то есть под капотами на фюзеляже. При этом по ряду соображений их лучше отнести к кормовой части фюзеляжа. К таковым относится целесообразность смещения ближе к корме как механической, так и весовой нагрузки: эта часть имеет усиленную в наборе конструкцию, а смещение подъёмной силы в полёте характерно назад. При неприемлемости переднего расположения двигателей мало приемлемо было бы и центральное: капоты мешали бы наклону боковых винтов вперёд, а шум и вибрация шли прямо на обитаемую часть фюзеляжа.

Наиболее эффективна трёхдвигательная установка: в случае отказа одного из двигателей тяга падает только на 30%, что позволяет удержаться в воздухе судну с полной нагрузкой, а также и выбор приемлемых двигателей будет легче при уменьшении требуемой мощности каждого.
Тогда один двигатель располагается в центре свода фюзеляжа, а два других - с завалом к бортам, чтобы их капоты не мешали наклону винтов вбок. Кстати заметить, что перекрытие боковых винтов на 1/2 радиусов здесь выполнит неожиданную роль - облегчит боковой наклон дисков, пуская их как бы вокруг "конька" с центральным капотом ("утопленные" боковые мешать не будут). Такое решение позволит предельно уменьшить высоту расположения боковых винтов, что очень желательно для данной схемы.

Привод от турбовальных двигателей к главному редуктору идёт по довольно традиционному для таковых возвратному принципу: от валов нагруженных турбин через большие зубчатые колёса крутящий момент передаётся вперёд находящимися ниже горизонтальными валами.
Через соединяющие звенья три горизонтальных вала, идущие возвратом от двигателей, соединяются с главным редуктором, задающим основные режимы крутящего момента.
С главного редуктора крутящий момент передаётся на собственные редукторы винтов, расположенные по плоскости вокруг него (не на осях винтов). Такое расположение определено необходимостью связи валов боковых винтов через синхронизирующий механизм, который должен связывать их и при отключенных редукторах. Поэтому привод через собственные редукторы подключается "поверх" синхронизирующего вала.
Хотя передний винт не требует синхронизации с боковыми по скорости вращения, он включён в единую с боковыми цепь крутящего момента, чтобы на него пропорционально передавалась мощность (пропорциональность её передачи сохраняется при выключении одного из двигателей или даже двух).

Боковые винты располагаются на характерном для трёхвинтовых вертолётов стреловидном крыле. Такая его форма обусловлена функцией установочного элемента для винтов, находящихся на уровне 2/3 длины фюзеляжа,- стреловидность обеспечивает относ назад концевых частей с колонками винтов. Кроме того, "по совместительству" стреловидная форма позволяет увеличить площадь крыла при ограниченном размахе - в скоростном режиме оно, выполняя свою прямую функцию, создаст не менее 30% подъёмной силы, что позволит существенно разгрузить винты. Стреловидная форма крыла не идеальна для его работы на вертолётных скоростях, но с этим допустимо мириться при названных моментах оправданности такого варианта.
Механизацией крыло вертолёта не снабжается - развиты другие способы управления по тангажу и крену.

Высокая колонка переднего винта располагается вблизи носового торца. Эргономический дискомфорт при таком расположении минимален благодаря отсутствию под ней двигателя. Горизонтальный приводной вал идёт к ней по центру свода фюзеляжа. К колонке в виде полого-треугольного гребня примыкает кожух рычага подъёмного механизма, обеспечивающего синхронизирующий подъём тарелки переднего винта. Подъём тарелки происходит вместе с подвижной частью вала, которая выдвигается из вертикально неподвижной большего диаметра.
Плоский кожух подъёмного механизма переднего винта ("гребень") выполняет роль ещё и вертикального аэродинамического элемента - своего рода переднего киля-стабилизатора.

Хвостовое оперение - традиционное самолётного типа. Между задними секторами боковых винтов вписывается единственный крупный киль с форшкилем, заходящим на капот центрального двигателя. Горизонтальное оперение - небольшое ромбовидное крыло, сделанное цельноповоротным для функции ходового руля высоты. У киля поворотной делается прямая часть - около 60% площади - для функции дополнительного путевого руля.

Особенности путевого управления в предлагаемом концепте вытекают из специфики схемы с тремя равными винтами. Традиционно взаимно подавляются реактивные моменты двух параллельных поперечных винтов, вращающихся в противоположные стороны. 1/3 реактивного момента, источником которого является "непарный" передний винт, требует компенсации каким-то путём. Наклон одного из винтов, традиционно применяемый для этого в трёхвинтовой схеме, нежелателен, так как вносит дисбаланс в распределение аэродинамических сил и даёт некоторую потерю мощности.
В предлагаемой схеме реактивный момент переднего винта подавляется с помощью реактивного компенсатора, использующего энергию выхлопных газов двигателей. Рабочим органом этой системы является реактивное сопло, установленное на поворотном секторе в хвостовом оперении и дающее реакцию, направленную в сторону, противоположную реактивному моменту. Для питания сопла выхлопные газы всех трёх двигателей собираются в единый канал, выходящий в камеру дополнительной турбины с компрессором, позволяющим увеличить массу подаваемого для реакции рабочего тела за счёт нагнетаемого воздуха (у дополнительной камеры имеется воздухозаборник).
Степень компенсации вращающего момента определяется углом установки сопла относительно килевой линии (от 0 до 90%). Благодаря этому описанное устройство будет выполнять роль активного руля, подобно хвостовому винту в "классической схеме". Дополнительных затрат мощности - на компенсацию реактивного момента - предлагаемая система почти не вызывает (несколько снижается эффективность холодильника - замедляется охлаждение расширяющихся выхлопных газов).
Предлагаемая система компенсации вращающего момента обеспечивает эффективное путевое управление, принципиально не зависящее от скорости движения вертолёта и не меняющее распределение подъёмной силы и общей тяги винтов. В скоростном полёте она работает совместно с аэродинамическим рулём, представленным поворотным элементом киля; это позволяет увеличить скорость рулевой реакции, которая в противном случае была бы снижена стабилизирующим действием киля.
Схема предполагает и другой способ создания рулевого момента, представляющий его усиленный вариант. Передний винт с боковым и боковой с противоположной стороны могут наклоняться в противоположные стороны, создавая вращающий момент. Это возможно благодаря ограничению перекрытия винтов половиной радиусов, что делает их почти "свободными". Такой способ применяется для маневрирования в затруднённых условиях или с внешней нагрузкой.

Лопастная система и конструкция втулок применяются в принципе традиционные. Все три винта снабжаются автоматами перекоса. Втулки оборудуются гидропневматическими демпферами для гашения резких вертикальных колебаний.
Крепление лопастей - жёсткое, без шарниров, исключающее смещение лопастей по высоте относительно плоскости диска: это дополнительный момент обеспечения невозможности их схлёстывания при перекрытии винтов "навесом".
Винты - пятилопастные, в данном случае это оптимальное число лопастей, при меньшей была бы недостаточной реагирующая площадь.
Лопасти делаются смешанной формы - до центра по длине прямоугольные, дальше до конца - трапециевидные. Последнее служит выполнению принципа уменьшения нагрузки на лопасть по мере увеличения её скорости по широте диска.

Шасси - трёхопорное неубирающееся самоориентирующееся. Применяются гидропневматические рессоры с глубоким ходом. Диаметр задних колёс в 1,25 раза увеличен по отношению к передним. Колёса на всех трёх стойках двойные (располагаются по сторонам от стойки).
Тип - "летающее шасси", с приданной ему обтекаемой формой. Задние стойки крепятся на рамах-раскосах к фюзеляжу на уровне 2/3 его длины, принимая около 70% веса загруженного вертолёта. Раскосам придаётся форма аэродинамически обтекаемой фигуры.

Фюзеляж - оптимальный для судов данного класса полумонокок. Набор усилен дополнительными стрингерами по верху центральной части фюзеляжа в районе крепления крыла, а также в кормовой сверху - в районе установки двигателей, и снизу - в районе загрузочной платформы с лебёдкой.
Материал набора - алюминий с клёпочно-сварным соединением, обеспечивающим максимальную надёжность.
Применяется двойная обшивка, образующая изолирующую полость между стенками.