Материал из РУВИКИ — свободной энциклопедии

Соосный пропеллер

Соосный пропеллер
Antonov AN-70 at Paris Air Show 2013 4.jpg
Тип лопастной винт и компонент воздушного судна[d]
Логотип РУВИКИ.Медиа Медиафайлы на РУВИКИ.Медиа

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.

Работа[править | править код]

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.

Преимущества и недостатки[править | править код]

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].

Использование в авиации[править | править код]

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].

Великобритания[править | править код]

Соосные пропеллеры самолёта Spitfire Mk XIX

Соосный пропеллер был запатентован Ф. В. Ланчестером в 1907 году[9].

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.

СССР, Россия[править | править код]

Один из четырёх соосных винтов на российском стратегическом бомбардировщике Ту-95

В 1950-х годах советское конструкторское бюро имени Кузнецова разработало турбовинтовой двигатель НК-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[править | править код]

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-разведчик Hughes 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].

Применение в сверхлёгких самолётах[править | править код]

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].

Использование на воде[править | править код]

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].

Примечания[править | править код]

  1. Sasaki, N.; Murakami, M.; Nozawa, K.; Soejima, S.; Shiraki, A.; Aono, T.; Fujimoto, T.; Funeno, I.; Ishii, N.; Onogi, H. (1998). “Design system for optimum contra-rotating propellers”. Journal of Marine Science and Technology. 3 (1): 3—21. DOI:10.1007/bf01239802. S2CID 110551942.
  2. J. M. R. (March 2, 1956). “Enterprise in airscrews: First details of a mighty new de Havilland airscrew and the story of 21 years of achievement”. Flight. 69 (2458): 237—248. ISSN 0015-3710.
  3. Strack, W. C.; Knip, G.; Weisbrich, A. L.; Godston, J.; Bradley, E. (October 25–28, 1982). Technology and benefits of aircraft counter rotation propellers. Aerospace Congress and Exposition. Anaheim, California, USA: NASA. alternate url
  4. 1 2 Vanderover, J. S. & Visser, K. D., Analysis of a contra-rotating propeller driven transport aircraft, <https://www.rcgroups.com/forums/showatt.php?attachmentid=2815700>. 
  5. Truong, Alexander; Papamoschou, Dimitri (January 7, 2013). Aeroacoustic testing of open rotors at very small scale (PDF). AIAA Aerospace Sciences Meeting (51st ed.). Grapevine, Texas, USA. Дата обращения August 5, 2016.
  6. 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
  7. Kijk magazine, 1/2013
  8. “Plane's propellers revolve in opposite directions”. Popular Science Monthly. 119 (5): 33. November 1931. ISSN 0161-7370.
  9. Lanchester, F. W. (December 11, 1941). “Contra-props: Recollections of early considerations by advisory committee for aeronautics: A pioneer's 1907 patent: Suggestions for further research”. Flight. 40 (1720): 418—419. Дата обращения 3 November 2015.
  10. The Bristol Brabazon - Engineering masterpiece or Great White Elephant, Aviation Archive: Aviation Heritage, <http://www.aviationarchive.org.uk/stories/storycontents.php?enum=GE121>. Проверено 3 ноября 2015.. 
  11. General aviation world records. Fédération Aéronautique Internationale (FAI). Архивировано 7 октября 2007 года.
  12. NK-110. Ulyanovsk Higher Aviation School of Civil Aviation 48.
  13. Zrelov, V. A. (2018). “Development of engines 'NK' large thrust on the basis of a single gas generator” (PDF). Dvigatel [рус.]. 115 (1): 20—24.
  14. Gatzen, B. S.; Reynolds, C. N. (September 9–14, 1984). Single rotation and counter rotation prop-fan propulsion system technologies (PDF). Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences (14th ed.). –Toulouse, France. pp. 708—717.
  15. COAX-P: Counter rotating propeller gearbox. Sun Flightcraft. Дата обращения: 18 июля 2019.
  16. Bertrand, Noel; Coulon, Rene (2003). “World Directory of Leisure Aviation 2003-04”. World Directory of Light Aviation. Lancaster, United Kingdom: Pagefast Ltd: 70, 87. ISSN 1368-485X.
  17. Willkommen bei Neura Jet. neurajet.at. Дата обращения: 3 ноября 2015. Архивировано 22 декабря 2005 года.
  18. The benefits of Duoprop. Volvo Penta Singapore. Архивировано 31 июля 2016 года.
  19. Akashia & Hamanasu.
  20. Contaz azimuthing thruster. www.rolls-royce.com. Дата обращения: 14 июня 2018.
  21. Steerprop : SP 10 ... 45 CRP. www.steerprop.com. Дата обращения: 14 июня 2018. Архивировано 19 марта 2017 года.

Ссылки[править | править код]