Концепт вертолёта с внешне-реактивными соплами

Проблема создания пропульсивной силы (горизонтальной тяги) у вертолёта как представляет непреодолённое препятствие для достижения желаемой скорости, так и означена разного рода попытками её решения. Самый прямой, логичный путь - увеличение наклона несущего винта, чтобы горизонтальная составляющая его тяги стала достаточной,- наталкивается на две группы проблем. Первая,- как заметил С.Михеев, это представляет "конструктивно сложную задачу". Но более глубокой представляется вторая группа - это большое индуктивное сопротивление, которое вызовет круто наклоненный винт. При этом ещё и снизится вертикальная составляющая тяги винта - подъёмная сила, что либо заставит мириться со значительно снизившейся грузоподъёмностью, либо повышать параметры моторного комплекса - главным образом за счёт оборотов винта, что имеет известное ограничение. То есть путь этот, по-видимому, следует признать тупиковым.
В случае же с переносом горизонтальной тяги на другие, специально приспособленные для этого движители, вертолёт утрачивает своё системообразующее начало, предполагающее создание несуще-тянущей силы единым мотором - это придаёт идее геликоптера принципиальную целесообразность. Выше упомянутый вариант соответствует уже другому типу летательного аппарата - винтокрылу. Заметим, что он по своей особенности разделения подъёмной силы и горизонтальной тяги малопригоден для многих вертолётных функций, когда требуются частые переходы между режимами висения, заднего хода, малого хода и горизонтального полёта. Паллиативный вариант введения движителей горизонтальной тяги - с сохранением за несущим винтом тянущей функции - создаёт аппарат со сложным управлением и какой-то неполноценной несуще-тянущей системой: вряд ли специальные движители горизонтальной тяги целесообразны, если они не полностью её обеспечивают. При этом их скоростное действие идёт "враздрай" с аэродинамикой винта, создающим сильное индуктивное сопротивление.
С учётом всего этого вариант с изолированными движителями горизонтальной тяги у вертолёта тоже следует признать нецелесообразным.
Оптимальный вариант создания пропульсивной силы при наличии несущего винта видится в том, чтобы она являлась как бы продолжением его функции. Проанализировав работу вертолётного ротора, можно заметить, что, кроме полезного действия, она имеет и "паразитное",- причём с двух сторон - это отбрасываемый лопастями активный поток и создаваемая ими радиальная составляющая реакции - реактивный момент, стремящийся вращать корпус вертолёта. Для преодоления последнего в схему одновинтового вертолёта вводится продольный рулевой винт или сопло, направленное перпендикулярно линии движения (последнее в широкий обиход не вошло). При этом компенсаторы реактивного момента ходовой тяги не создают, затрачивая свою мощность на свою прямую функцию. Хотя нужно заметить, что попытки совместить функции компенсации реактивного момента и горизонтальной тяги известны.
Используя "напрямую" падающий с винта поток, можно с помощью соответственно ориентированных аэродинамических плоскостей (расположенных перпендикулярно плоскости винта под углом) получить горизонтально действующую силу. Имеется опыт применения такой системы для компенсации реактивного момента. Ориентируя упомянутые плоскости несколько иначе, можно получить и толкающее вперёд действие, - однако, тяга будет невелика, а создаваемое этим "парусом" лобовое сопротивление - значительным.
При этом реактивные сопла как раз характеризуются нейтральностью к индуктивному сопротивлению. Прорывным симбиозом было бы взаимодействие сопла с потоком, отбрасываемым винтом. Так сказать, на стороне первого - скорость, второго - большой воздушный объём. Поток газов из сопла, встречаясь с падающей от винта воздушной массой, мог бы разгонять её против движения вертолёта, создавая таким эффектом значительную реактивную тягу.

При обычной реактивной системе окружающая среда только тормозит струю, снижая эффективность движителя. Для взаимодействия с внешним объёмом, кроме сопла, нужен специальный воздухоприёмник, на котором будет происходить эта бинарная реакция.
Известно использование эффекта Коанда на крыле, приводящее к увеличению его подъёмной силы. Это как раз пример взаимодействия реактивного сопла с окружающим воздухом: струя из ТРД обдувает внешнюю поверхность крыла, ускоряя отток воздуха по ней. На тягу самого движителя это не влияет.
Но тот же эффект, который служит для увеличения подъёмной силы, может быть использован и для развития тяги. Это достигается соответствующей ориентацией обдуваемой плоскости. Возможно использование своего рода крыла в его обратной функции. Горизонтально расположенная плоскость размещается с отрицательным углом атаки - задним краем вверх. При прохождении по ней струи из сопла возникает засасывающий эффект, сопряженный с интенсивным прохождением по ней воздушного объёма. При этом воздух от винта будет падать на неё сверху, а не как встречный поток. Поэтому распределение сил здесь будет иным, чем на крыле. Сопло для обдува реактивной плоскости располагается под углом к ней, выходя на верхнюю сторону, куда падает поток от винта. В результате "прогоняющего" эффекта струи нагнетаемый воздух будет двигаться, создавая на этой плоскости реакцию, которая и будет реактивной тягой системы. Необходимое уточнение: это внешняя составляющая тяги, складывающаяся с собственной тягой сопла-генератора струи.
Перед соплом плоскость должна иметь закраину, сферически обступающую его - для предотвращения протока воздуха вперёд и отражения его назад.
Описанный движитель создаёт некоторую отрицательную подъёмную силу - она может быть компенсирована повышенной эффективностью горизонтального хвостового оперения.
В одновинтовой схеме эта система будет совмещать свою основную функцию с компенсацией реактивного момента несущего винта. Для этого нужно отклонить вектор тяги на угол, соответствующий требуемому её отбору для компенсации реактивного момента. При большем угле отклонения сопел вертолёт будет разворачиваться в сторону реакции несущего винта, подавленной с превышением её модуля.

Предлагаемый движитель наиболее целесообразен для применения на одновинтовом вертолёте, так как хорошо вписывается в решение задачи компенсации реактивного момента: специальное устройство для этого будет не нужно.
Для эффективного торможения вертолёта сопла предполагается снабдить реверсом - через кольцевую щель с заслонкой, расположенные перед выходом на воздухоприёмную плоскость. Это же устройство применимо и для управления положительной тягой: при полностью перекрытой щели она будет максимальной, при полностью открытой упадёт до нуля.
Энергетическое обеспечение действия внешне-реактивных сопел представляется как продолжение цикла газотурбинной установки. В реализации этой системы выделяются два возможных варианта. Первый - это генерация камерой сгорания объёма газов, избыточного для привода нагруженной турбины с прямым выведением из выхлопного отверстия последней газов в канал, питающий сопло. Недостаток варианта - это неполное расширение и охлаждение газов на выходе из турбины, что ведёт к снижению её КПД. Другой, более эффективный способ питания сопла - это выведение части газов из свободной турбины и части воздуха из компрессора в питающий канал. Недостаток этого варианта - конструктивная сложность.

Оптимальным конструктивным воплощением предлагаемой тяговой системы представляется расположение двух сопел с воздухоприёмными плоскостями на пилонах на пилонах на уровне радиальных центров несущего винта (симметрично по сторонам хвоста) в поперечном направлении и предельно близко к краю окружности в продольном - чтобы использовать предельно ускоренный воздух, оттекающий от концов лопастей. В вертикальном направлении сопла с воздухоприёмными плоскостями имеют фиксированное положение. В горизонтальном - они поворачиваются в секторе 135 градусов (90 в сторону компенсации реактивного момента несущего винта и 45 в противоположную). 90 градусов в первом случае соответствует избыточной компенсации реактивного момента и вращению корпуса в противоположную сторону, 45 градусов во втором - быстрому повороту корпуса в сторону реактивного момента.

Конструктивно расположение сопел соответствует их положению перед килями (здесь наиболее целесообразно двухкилевое оперение). Однако эта специфическая тяговая система создаёт вихревой поток, нарушающий работу килей. Поэтому последние нужно сместить от сопел в сторону фюзеляжа (смещение в противоположную сторону - "наружу" - нецелесообразно, так как потребует избыточного размаха горизонтального стабилизатора, на котором они устанавливаются.).
Ещё один дилемматический момент в реализации предлагаемой схемы - это вертикальное положение сопел относительно плоскости несущего винта: чтобы диск мог наклоняться назад и вбок на требуемый угол, пилоны с соплами должны находиться достаточно низко, с требуемым высотным зазором. Но это снижает эффективность действия падающего с винта потока, в "зазоре" уже теряется часть его энергии. Поэтому система будет более эффективна с предельно близким расположением сопел относительно плоскости винта, но тогда пилоны с аэродинамическими плоскостями и соплами должны будут наклоняться параллельно диску винта. Понятно, что это делает конструкцию сложной и громоздкой (потребуется гидравлика со значительным вертикальным усилием и синхронизация наклона винтов с наклоном диска). Нам видится, что в экспериментальной модели, реализующей предложенный движитель, следует предпочесть простой первый вариант.

Оптимальным вариантом расположения двигательной установки будет конструкция из двух капотов на задней части фюзеляжа с предельным поперечным разносом, чтобы изолировать друг от друга тепловые циклы двигателей. Для привода несущего винта валы нагруженных турбин соединяются поперечным объединительным валом, от которого возвратом вперёд проводится продольный вал к главному редуктору, расположенному в проекции оси винта. Такая схема позволяет сохранить работоспособность несущей системы в случае отказа одного из двигателей.
Из задних торцов капотов выходят газопроводные каналы к реактивным соплам - они проходят через полые пилоны, на которых установлены сопла с воздухоприёмными плоскостями. В неподвижном варианте к пилонам примыкают идущие от фюзеляжа упрочняющие раскосы.
Особенность одновинтовой схемы, предполагающая всесторонний разнос ометаемой площади вокруг фюзеляжа, требует наличия хвостовой балки, на которой устанавливается хвостовое оперение. Её достаточная длина, по нашим соображениям, составит лишь 1/2 длины фюзеляжа.

Функция несущего винта в данной схеме требует наличия автомата перекоса. Но установка лопастей желательна полужёсткая (с нешарнирным креплением).