Aктивное управление лопастями несущего винта (НВ) вертолета позволяет повысить эффективность и снизить уровень шума и вибраций.
Однако задача это непростая. Маршрутизация электропитания и сигналов по направлению к исполнительным механизмам, которые работают при высоких нагрузках на вращающемся с высокой скоростью винте, для привода клапанов или других устройств, контролирующих отдельные лопасти, остается серьезным вызовом.
Немецкий аэрокосмический центр DLR разработал систему активного управления ротором, в которой не применяются контроллеры на вращающейся части НВ, и потенциально эта система может независимо контролировать до шести лопастей. Вторая серия испытаний в аэродинамической трубе системы META запланирована на конец этого года.
Преимущества системы META включают в себя отсутствие передачи энергии на лопасти ротора и центробежных нагрузок на контроллеры.
"Система может использоваться с уже применяемыми лопастями, обеспечивая возможность модернизации, — говорит Филипп Кюфманн, инженер Института летных систем DLR. Первая серия испытаний системы META в аэродинамической трубе была завершена в сентябре 2015 г. Результаты были представлены на конференции American Helicopter Society International Forum 72 в мае этого года.
Испытания на масштабном четырехлопастном несущем винте на заводе DNW в Нидерландах показали снижение необходимой для него мощности, вибрации и шума взаимодействия "вихрь — лопасть" (BVI). Управление обычными НВ осуществляется с помощью автомата перекоса, который переводит управляющие воздействия пилота в неподвижном корпусе фюзеляжа в изменение шага лопасти на вращающейся втулке винта.
Система META эффективно разделяет четырехлопастной несущий винт на два двухлопастных субротора — каждый со своим независимым управляемым автоматом перекоса. Одна пара лопастей соединена с первым, внешним, автоматом перекоса. Вторая пара соединена со вторым, внутренним, автоматом перекоса. Каждый из автоматов перекоса управляется тремя электрогидравлическими контроллерами, смонтированными на основной плате. Электрическая часть контроллера используется для первичного управления.
Гидравлический поршень обладает значительно меньшими возможностями, но может работать на частотах до 105 Гц и используется для индивидуального управления лопастями (IBC) и гармонического управления шагом лопасти (HHC) с изменением шага до 2–6 раз за один оборот.
Для снижения вибраций в дополнение к HHC система META может отслеживать в полете движение лопасти, а также разделять вертикально плоскость вращения пары лопастей винта через раздельный общий и циклический шаг винта на суброторах. Это способствует снижению уровня шума несущего винта за счет увода лопасти из вихревого потока, создаваемого предыдущей лопастью.
В сентябрьских аэродинамических испытаниях были задействованы две конфигурации несущего винта: одна с лопастями от вертолета MBB Bo-105 разработки 1970 г. (с 40%-ным подобием по числу Маха), вторая — с современными лопастями от вертолета Airbus Helicopters EC145 C2 (с 36%-ным подобием по числу Маха), которые также называют FTK-лопастями. Испытания продемонстрировали полное индивидуальное управление лопастями посредством системы META, включая одночастотное HHC, отслеживание движения лопастей в полете и разделение плоскости вращения пары лопастей винта через раздельный общий и циклический шаг винта. С лопастями Bo-105 система продемонстрировала снижение потребляемой мощности на 4% и 75%-ное снижение уровня вибрации с двумя оборотами HHC, снижение шума несущего винта на 4,5 дБ с тремя оборотами HHC. Более современные и тихие FTK-лопасти показали снижение потребляемой мощности на 3%, 52%-ное снижение уровня вибрации и снижение уровня шума несущего винта на 3,9 дБ.
"Результаты относительно уровня вибрации и шума несущего винта показывают, что даже современные лопасти с индивидуальным управлением могут продемонстрировать значительные улучшения", — говорит Кюфманн.
Во второй серии аэродинамических испытаний в октябре-ноябре будут использоваться только FTK-лопасти. "Использование одного комплекта лопастей позволят задействовать больше вариаций в части условий испытаний и управляющих воздействий", — говорит он.
Вместо одночастотных HHC-воздействий в первой серии испытаний, в этот раз будет использоваться комбинация IBC, HHC и негармонического управления лопастями. В испытания также будет вовлечена втулка пятилопастного винта. Они будут проводиться под эгидой проекта SKAT, который является частью национальной исследовательской аэрокосмической программы Германии LuFo-V-1.
Кюфманн отмечает, что продолжение разработки системы META зависит от получения дополнительного финансирования в рамках программы LuFo-V-1, особенно когда проводятся дорогостоящие испытания в аэродинамической трубе.
"С необходимой поддержкой и партнерами проекта дополнительно можно протестировать потенциальные возможности системы META по независимому управлению шестью лопастями, — говорит он. — Мы были бы рады, если бы система дошла до летных испытаний, но во многом все зависит от интереса вертолетной отрасли. Пока конкретных планов относительно летных испытаний нет".
Отдельно DLR также работает над международной программой Smart-Twisting Active Rotor (STAR). В рамках этой программы разрабатывается ротор, использующий пьезоэлектрические макроволоконные композитные (MFC) контроллеры с электрическим приводом для изменения шага лопасти до пяти раз за один оборот в целях увеличения эффективности и снижения уровня вибрации и шума.
Партнерами DLR по программе STAR являются Директорат армии США по аэродинамике, NASA, Южно-Корейский аэрокосмический исследовательский институт (KARI), университет "Конкук", Японское агентство аэрокосмических исследований и французская аэрокосмическая лаборатория Onera. Запущенная в 2009 г. программа STAR последовала за международной программой HART (HHC Aeroacoustics Rotor Test).
Однако во время предварительных испытаний в DLR в 2013 г. короткое замыкание и воспламенение контроллеров MFC при центробежных нагрузках привели к отмене запланированных испытаний винта в аэродинамической трубе DNW. "На данный момент лопасти STAR перепроектированы для обеспечения более высокой надежности, — говорит Кюфманн.
— После успешной проверки концепта будет построен новый четырехлопастной винт и в будущем протестирован. Международные партнеры будут обеспечивать финансирование программы и примут участие в испытаниях DNW".
