W całej historii śmigłowców regularnie proponowano różne konstrukcje systemu nośnego, ale tylko jeden z nich stał się klasyczny, a następnie został znacznie rozwinięty. Inne rozwiązania, przewidujące różne opcje napędu śmigła, konstrukcji łopat, funkcji itp., nie mogły z nią konkurować. Często taki wynik odważnego projektu wynikał z obiektywnych niedociągnięć i problemów.
Klasyka techniczna
Klasyczny schemat helikoptera przewiduje kilka dość prostych rozwiązań. W kadłubie maszyny umieszczona jest elektrownia ze skrzynią biegów, która dostarcza moment obrotowy na wirnik główny i ogonowy. Główny wirnik o dużej średnicy oparty jest na tarczy sterującej, która zapewnia zmianę siły nośnej i/lub manewrowania, a także posiada kilka łopatek o wysokim współczynniku kształtu.
Ten projekt jest stosunkowo prosty, dobrze rozwinięty i umożliwia łatwą przebudowę i skalowanie w celu spełnienia istniejących wymagań. Dodatkowo pozbawiona jest pewnych wad, takich jak konieczność uszczelniania połączeń w rurociągach czy ryzyko nakładania się łopatek.
Jednak są też wady. Śmigłowiec o schemacie klasycznym ma ograniczenia prędkości lotu poziomego związane ze specyfiką przepływu wokół łopat wirnika. W niektórych trybach mogą wystąpić inne negatywne zjawiska, takie jak pierścień wirowy. W przypadku pojedynczego wirnika głównego, musisz zaprojektować długi i mocny wysięgnik ogonowy, aby pomieścić wirnik ogonowy.
Rozwój klasycznego schematu doprowadził do pojawienia się śmigłowców wielowirnikowych z podłużnym, poprzecznym lub innym rozmieszczeniem kilku układów łożysk. Schemat współosiowy stał się powszechny, w którym dwie śruby o tradycyjnym wyglądzie są montowane na jednej tulei. Również klasyczny system wsparcia i szereg jego jednostek stał się podstawą kilku alternatywnych projektów.
Śmigło odrzutowe
Śmigłowiec jednowirnikowy boryka się z problemem momentu biernego i zaproponowano różne rozwiązania tego problemu. Już w latach trzydziestych idea wirnika z napędem strumieniowym pojawiła się niemal jednocześnie w kilku krajach. Takie śmigło nie jest połączone z silnikiem wewnątrz kadłuba, a zatem nie zmusza go do obracania się w przeciwnym kierunku.
Wirnik odrzutowy wyróżnia się obecnością własnych silników na końcach łopat. Śmigło może być napędzane kompaktowym silnikiem turbośmigłowym lub strumieniowym. Znane są również konstrukcje z doprowadzaniem sprężonych gazów z silnika turbogazowego w kadłubie do dysz lub do komory spalania w łopatce.
Pomysł wirnika odrzutowego wzbudził duże zainteresowanie w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych; w różnych krajach opracowano szereg projektów pilotażowych. Oferowane były jako lekkie pojazdy typu Dornier Do 32 lub B-7 ML. Ciężki śmigłowiec transportowy Mile and Hughes XH-17. Jednak żadna z tych próbek nie wyszła poza produkcję na małą skalę.
Głównym problemem ze śmigłem odrzutowym jest złożoność piasty. Za jego pośrednictwem sprężony gaz i/lub paliwo musi być dostarczane do ruchomego ostrza, co wymaga środków przenoszących i uszczelniających. Na samym ostrzu konieczne jest umieszczenie takiego czy innego silnika, co nakłada nowe wymagania na jego konstrukcję. Stworzenie solidnego projektu z tymi możliwościami okazało się zbyt trudne, a oczekiwane korzyści nie mogły uzasadnić wysiłku.
Skrzyżowane ostrza
W latach trzydziestych zaproponowano tzw. schemat. synchrokopter. Koncepcja ta proponuje zastosowanie dwóch dwułopatowych wirników, których piasty są umieszczone w minimalnej odległości z pochyleniem osi na zewnątrz. Śmigła muszą obracać się do siebie, a specjalna konstrukcja skrzyni biegów wyklucza nakładanie się łopatek.
System nośny synchrokoptera jest w stanie stworzyć wymaganą siłę nośną i zapewnić lot w tych samych trybach, co schemat klasyczny. Ma tę zaletę, że jest w stanie zwiększyć ogólny ciąg i udźwig, a rozszerzenie wektorów ciągu zwiększa stabilność w zawisie i innych trybach. W tym przypadku momenty reaktywne dwóch śmigieł kompensują się wzajemnie i eliminują potrzebę stosowania układu kierowniczego.
Jednak synchrokoptery nie są szeroko stosowane. W latach trzydziestych taki sprzęt produkowała niemiecka firma Flettner, a od 1945 r. tematem tym zajęto się w innych krajach. Najbardziej znane są śmigłowce amerykańskiej firmy Kaman Aerosystems. Do pewnego czasu poszukiwane były synchrokoptery, ale potem kierunek zniknął - teraz w serii jest tylko jedna próbka. Przez cały czas zbudowano nie więcej niż 400-500 seryjnych maszyn tej klasy.
Główną wadą synchrokoptera jest złożoność skrzyni biegów, która dostarcza moment obrotowy do dwóch umieszczonych blisko siebie śmigieł. O wiele prostszy okazuje się napęd jednowirnikowy o tych samych parametrach. Ponadto para śmigieł dwułopatowych ma ograniczony potencjał ciągu. Tak więc nowoczesny „ciężki” synchrokopter Kaman K-Max podnosi nie więcej niż 2700 kg i traci pod tym względem wiele klasycznych śmigłowców.
Zakręć i zatrzymaj
Znany jest pomysł połączenia śmigła obrotowego i nieruchomego skrzydła. W takim przypadku do startu i przyspieszania wykorzystywany jest obrót głównego wirnika. Przy określonej prędkości śmigło musi się zatrzymać, a jego łopaty muszą zamienić się w nieruchome skrzydło. Pozwala to na opracowanie dużej prędkości lotu, ale wymaga opracowania i wdrożenia nowych rozwiązań.
Jako przykład rozważmy projekt Sikorsky X-Wing, rozwijany od połowy lat siedemdziesiątych jako uzupełnienie śmigłowca S-72. Ten ostatni był helikopterem z głównym i ogonowym śmigłem, wyposażonym w rozwinięte skrzydło o małym skoku. Po bokach kadłuba znajdowała się para silników z turbiną gazową, która dostarczała moc do wału (dla śmigieł) i wytwarzała ciąg odrzutowy (dla lotów z dużą prędkością).
System nośny X-Wing otrzymał piastę owiewki tarczowej wyposażoną w tarczę skośną tylko o wspólnym skoku. Zastosowaliśmy ostrza prostokątne o profilu symetrycznym w pionie. Na przedniej i tylnej krawędzi łopaty znajdowały się otwory do wypuszczania sprężonego powietrza z kompresora na zewnątrz. Powietrze, dzięki efektowi Coandy, miało „wydłużyć” profil ostrza, pomagając w tworzeniu siły nośnej. W zależności od sposobu doprowadzenia powietrza, łopata może pracować równie wydajnie podczas obrotu, jak i w pozycji nieruchomej.
System X-Wing został pomyślnie przetestowany w tunelu aerodynamicznym i został nawet zainstalowany na doświadczonym S-72. Jednak na krótko przed planowanymi lotami, w 1988 r. NASA i DARPA nakazały przerwać pracę. Przy wszystkich oczekiwanych korzyściach ten niezwykły system nośny był zbyt skomplikowany. Ponadto projekt trwał ponad 10 lat, a jego koszt przekroczył dopuszczalny limit. Z tego powodu koncepcja X-Wing nie była dalej rozwijana.
Obiektyw w locie
Obecnie francuska firma Conseil & Technique pracuje nad koncepcją lekkiego śmigłowca taksówki powietrznej z nietypowym systemem nośnym. Proponowana konstrukcja śmigła przegrywa z tradycyjną pod względem tworzonej siły nośnej w trybach startu i lądowania, ale różni się większą prostotą i możliwością tworzenia zwiększonego ciągu w locie poziomym. Podano również zdolność do redukcji hałasu.
Oryginalna śruba napędowa zbudowana jest na bazie dysku soczewkowego, który zajmuje 70% omiatanej powierzchni. Proponuje się zamontowanie krótkich łopatek płata wzdłuż jego krawędzi. Nie zgłoszono możliwości umieszczenia tarczy sterującej; kontrolę trakcji można przeprowadzić poprzez zmianę prędkości.
Testy wykazały, że podczas lotu poziomego część tarczowa wytwarza znaczną siłę nośną, dzięki czemu konstrukcja jako całość omija pod względem właściwości śmigło o tradycyjnej konstrukcji. Ponadto udało się doprowadzić kąt natarcia do 25° bez zatrzymywania przepływu. Opracowywany samolot według obliczeń będzie mógł osiągać prędkość do 200 km/h.
Projekt firmy Conseil & Technique jest jeszcze na etapie prac badawczo-rozwojowych. Prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości zostanie doprowadzony do testów na makietach, po których może pojawić się pełnoprawny eksperymentalny śmigłowiec wielowirnikowy. Nie wiadomo, czy ta alternatywna konstrukcja będzie w stanie rozwiązać wszystkie zadania i znaleźć miejsce w przemyśle lotniczym.
Szukasz alternatyw
Długie dziesięciolecia istnienia i aktywnej eksploatacji śmigłowców pokazały wszystkie zalety klasycznej konstrukcji systemu nośnego. Próby stworzenia alternatywnych schematów, które mają z nim minimalne podobieństwo, nie zostały jeszcze ukoronowane szczególnym sukcesem. Jednak naukowcy i inżynierowie nie przestają pracować i nadal poszukują obiecujących pomysłów.
W tej chwili powstaje kolejny tego typu projekt, a jego rezultaty będą widoczne w niedalekiej przyszłości. Jednocześnie widać wyraźnie, że żaden z nowych łożyskowań nie będzie w stanie wywrzeć zauważalnego wpływu na ogólny stan rzeczy, a klasyczny schemat i różne warianty jego rozwoju zachowają swoje miejsce w technice lotniczej. Jednak nowe rozwiązania - pod warunkiem wystarczającej perfekcji - mogą znaleźć swoją niszę, w której ich zalety będą najbardziej odpowiednie i opłacalne.
