Соосный пропеллер — пропеллер, работающий по принципу контрвращения, также называемого коаксиальным контрвращением. Это метод, при котором части механизма вращаются в противоположных направлениях вокруг общей оси, обычно для минимизации воздействия крутящего момента.
Соосные пропеллеры на самолёте P-51XR Mustang Precious Metal, оснащённом двигателем Rolls-Royce Griffon, на авиационных гонках в Рено в 2014 году
Самолёты, оснащённые соосными пропеллерами[1], или высокоскоростными пропеллерами, используют максимальную мощность обычно одного поршневого или турбовинтового двигателя для привода пары соосных пропеллеров во встречном вращении. Два винта расположены один за другим, а мощность передаётся от двигателя через планетарный редуктор или цилиндрическую передачу. Соосные пропеллеры также известны как пропеллеры встречного вращения[2][3], хотя термин «пропеллеры встречного вращения» гораздо шире используется для обозначения воздушных винтов на отдельных несоосных валах, вращающихся в противоположных направлениях.
При низкой скорости масса воздуха, проходящего через диск пропеллера (тяга), вызывает значительный тангенциальный или вращательный поток воздуха, создаваемый вращающимися лопастями. Энергия этого тангенциального воздушного потока тратится впустую в конструкции с одним пропеллером и вызывает проблемы с управлением на низкой скорости, поскольку воздух ударяется о вертикальный стабилизатор, вызывая рыскание самолёта влево или вправо, в зависимости от направления вращения пропеллера. Чтобы избавиться от этих бесполезных усилий, второй пропеллер устанавливается позади первого и использует преимущества возмущённого воздушного потока.
Хорошо спроектированный соосный пропеллер не будет иметь вращающегося воздушного потока, равномерно проталкивая максимальное количество воздуха через диск пропеллера, что обеспечивает высокую производительность и низкие индуцированные потери энергии. Он также служит для борьбы с асимметричным эффектом крутящего момента обычного винта (см. P-фактор). Некоторые соосные системы были разработаны для использования на взлёте для достижения максимальной мощности и эффективности в таких условиях, а также для отключения одного из пропеллеров на крейсерском режиме для увеличения продолжительности полёта.
Крутящий момент на самолёте от пары соосных пропеллеров фактически нивелируется.
Было установлено, что соосные пропеллеры на 6-16 % эффективнее обычных пропеллеров[4].
Однако они могут быть очень шумными: увеличение шума в осевом направлении (вперёд и назад) достигает 30 дБ, а в тангенциальном — 10 дБ[4]. Большая часть этого дополнительного шума приходится на высокие частоты. Эти существенные проблемы с шумом ограничивают коммерческое применение. Одна из возможностей — заключить соосные пропеллеры в кожух[5]. Также можно уменьшить скорость вращения или нагрузку на лопасти, уменьшить количество лопастей у кормового винта или уменьшить его диаметр по сравнению с носовым, или увеличить расстояние между кормовым и носовым винтами[6].
Эффективность соосного пропеллера несколько компенсируется его механической сложностью и дополнительным весом редуктора, который делает самолёт тяжелее, поэтому для его установки приходится жертвовать некоторыми характеристиками. Тем не менее, соосные пропеллеры и роторы были использованы в нескольких военных самолётах, таких как Ту-95 «Медведь».
Они также рассматриваются для использования в авиалайнерах[7].
Хотя несколько стран экспериментировали с использованием соосных пропеллеров в самолётах, только Великобритания и Советский Союз производили их в больших количествах. Первый летательный аппарат, оснащённый соосным пропеллером, был создан в США, когда два изобретателя из Форт-Уэрта, штат Техас, испытали эту концепцию на самолёте[8].
Среди наиболее успешных британских самолётов с соосными пропеллерами — Avro Shackleton, оснащённый двигателем Rolls-Royce Griffon, и Fairey Gannet, на котором использовался двигатель Double Mamba Mk.101. В Double Mamba две отдельные силовые секции приводили в движение по одному пропеллеру, что позволяло отключать одну силовую секцию (двигатель) в полёте, увеличивая продолжительность полёта.
Другой военно-морской самолёт, Westland Wyvern, имел соосные винты противоположного вращения. Испытательный самолёт Martin-Baker MB 5 также использовал этот тип винта.
Более поздние варианты самолётов Supermarine Spitfire и Seafire использовали Griffon с противоположно вращающимися винтами. В случае Spitfire/Seafire и Shackleton основной причиной использования соосных пропеллеров противоположного вращения было увеличение площади лопастей винта и, следовательно, поглощение большей мощности двигателя в пределах диаметра винта, ограниченного высотой шасси самолёта. На Short Sturgeon использовались два Merlin 140 с соосными пропеллерами.
Прототип авиалайнера Bristol Brabazon использовал восемь двигателей Bristol Centaurus, приводивших в движение четыре пары соосных пропеллеров противоположного вращения, каждый двигатель приводил в движение один пропеллер[10].
На послевоенном прототипе летающей лодки SARO Princess восемь из десяти двигателей также были с воздушными винтами противоположного вращения.
Один из четырёх соосных винтов на российском стратегическом бомбардировщике Ту-95
В 1950-х годах советское конструкторское бюро имени Кузнецова разработало турбовинтовой двигательНК-12. Он приводит в движение восьмилопастной соосный винт и является самым мощным из существующих турбовинтовых двигателей. Четыре двигателя НК-12 приводят в движение самолёт Ту-95 «Медведь», единственный турбовинтовой бомбардировщик, поступивший на вооружение, а также один из самых быстрых винтомоторных самолётов. Ту-114, авиалайнер, производный от Ту-95, удерживает мировой рекорд скорости для винтовых самолётов[11]. Ту-95 также стал первым советским бомбардировщиком с межконтинентальной дальностью полёта. Самолёт Ту-126 и морской патрульный самолёт Ту-142 — ещё две конструкции с двигателем НК-12, созданные на основе Ту-95.
Двигатель НК-12 используется на другом известном советском самолёте — тяжёлом грузовом самолёте Ан-22 «Антей». На момент своего появления Ан-22 был самым большим самолётом в мире и до сих пор остаётся самым большим в мире самолётом с турбовинтовым двигателем. В 1960—1970-е годы на нём было установлено несколько мировых рекордов в категориях максимального отношения полезной нагрузки к высоте и максимальной полезной нагрузки, поднятой на высоту.
Менее значимым является использование двигателя НК-12 в А-90 «Орлёнок», среднеразмерном советском экраноплане. На А-90 используется один двигатель НК-12, установленный в верхней части Т-образного хвоста, а также два турбовентиляторных двигателя, установленных в носовой части.
В 1980-х годах Кузнецов продолжил разработку мощных двигателей противоположного вращения. Испытанный в конце 1980-х годов НК-110 имел, как и НК-12, конфигурацию соосного винта противоположного вращения с четырьмя лопастями спереди и четырьмя сзади. Его диаметр был меньше, чем у НК-12 — 220—240″ (5,6-6,2 м), но мощность составляла 21 007 л. с. (15 665 кВТ), а взлётная тяга — 177 кН[12]. Ещё более мощным был НК-62, который находился в разработке на протяжении большей части десятилетия. НК-62 имел идентичный с НК-110 диаметр винта и конфигурацию лопастей, но обладал большей взлётной тягой — 55 000 фунтов на фут (245 кН). Сопутствующий НК-62М имел взлётную тягу 64 100 фунтов силы (285,2 кН) и мог развивать аварийную тягу 70 700 фунтов силы (314,7 кН)[13]. Однако, в отличие от НК-12, эти более поздние двигатели не были приняты на вооружение ни одним из авиаконструкторских бюро.
В 1994 году Антонов выпустил тяжёлый транспортный самолёт Ан-70. Он оснащён четырьмя двигателями «Прогресс Д-27», приводящими в движение воздушные винты противоположного вращения. Характеристики двигателя Д-27 и его пропеллера делают его воздушно-реактивным двигателем — гибридом между турбовентиляторным и турбовинтовым двигателем.
Соединённые Штаты работали с несколькими прототипами, включая Northrop XB-35, XB-42 Mixmaster, Douglas XTB2D Skypirate, Curtiss XBTC, A2J Super Savage, Boeing XF8B, XP-56 Black Bullet, Fisher P-75 Eagle, истребители VTOL, Convair XFY «Pogo» и Lockheed XFV «Salmon», а также самолёт-разведчикHughes XF-11. Летающая лодка Convair R3Y Tradewind поступила на вооружение с соосными винтами противоположного вращения. Однако самолёты с поршневыми и турбовинтовыми двигателями достигли своего зенита, а новые технологические достижения, такие как появление турбореактивных и турбовентиляторных двигателей, не имеющих пропеллеров, привели к тому, что эти конструкции были быстро вытеснены.
Американский производитель пропеллеров Hamilton Standard приобрёл Fairey Gannet в 1983 году для изучения влияния противовращения на шум пропеллера и вибрационные нагрузки на лопасти. Gannet был особенно подходящим, поскольку винты с независимым приводом позволяли сравнить противовращение и одиночное вращение[14].
Австрийская компания Sun Flightcraft занимается распространением соосного редуктора для использования с двигателями Rotax 503 и 582 на сверхлёгких ЛА. Редуктор Coax-P был разработан Гансом Нойдорфером из компании NeuraJet и позволяет дельтапланам и парашютам развивать на 15-20 процентов больше мощности при снижении момента кручения. Производитель также сообщает о снижении уровня шума от двойных соосных пропеллеров с противоположным вращением, использующих редуктор Coax-P[15][16][17].
В торпедах, таких как торпеда Блисса-Ливитта, обычно используются гребные соосные винты противоположного вращения для обеспечения максимально возможной скорости при ограниченном диаметре, а также для противодействия крутящему моменту, который в противном случае привёл бы к вращению торпеды вокруг её собственной продольной оси.
Рекреационное судостроение: в 1982 году Volvo Penta представила противовращающийся гребной винт для лодок под маркой DuoProp[18]. С тех пор запатентованное устройство продаётся на рынке. После окончания срока действия патентов Volvo Penta компания Mercury также выпустила соответствующий продукт, MerCruiser Bravo 3.
Коммерческие суда: В традиционных машинах соосные противовращающиеся гребные винты встречаются редко из-за стоимости и сложности.
В 2004 году компания ABB выпустила продукт для установок большой мощности: передний гребной винт расположен на традиционном валопроводе, а кормовой — на Azipod от ABB[19].
При более низких уровнях мощности возможен вариант использования соосных механических азимутальных подруливающих устройств, удобных для соосных пропеллеров благодаря присущей им конструкции конической передачи. Компании Rolls-Royce и Steerprop предложили версии своих изделий для соосных пропеллеров[20][21].
↑Advanced turboprop project : [англ.]. — Lewis Research Center, Cleveland, Ohio : National Aeronautics and Space Administration (NASA) Scientific and Technical Information Division, 1988. — P. 82, 98–100.alternate url