На первый взгляд кажется, что за счет наличия двухвинтовой колонки соосные вертолеты должны иметь большее лобовое сопротивление, чем одновинтовые летательные ааппараты. Однако при летных испытаниях это преимущество одновинтовых вертолетов в потребной мощности не проявилось, что можно объяснить следующими факторами:

– благоприятным взаимным влиянием соосных несущих винтов в поступательном движении (эффект «бипланной коробки», обеспечивающий заметную экономию части располагаемой мощности силовой установки, которая идет на создание подъемной силы и эквивалентной потребной индуктивной мощности);

– дополнительными затратами мощности на привод рулевого винта на одновинтовых вертолетах;

– дополнительным сопротивлением рулевого винта одновинтового вертолета, особенно с учетом интерференции рулевого винта и хвостовой балки вертолета;

– дополнительным вредным сопротивлением фюзеляжа одновинтового вертолета в полете со скольжением, так как летчику предпочтительнее пилотировать вертолет без крена;

– рядом мер, существенно уменьшающих на соосном вертолете лобовое сопротивление (например, на Ка-50 – убирающееся в полете шасси).

Соосная конструкция позволяет уменьшить габариты и массу вертолета, что дает ему ряд преимуществ.

Для сравнительной оценки габаритномассовых характеристик соосных и одновинтовых вертолетов с рулевым винтом целесообразно рассмотреть два случая: первый, когда соосный и одновинтовой вертолеты имеют одну и ту же полетную массу и одинаковую располагаемую мощность силовой установки, и второй, когда соосный и одновинтовой вертолеты имеют одинаковые диаметры винтов.

В первом случает использование соосной несущей системы позволяет уменьшить габаритные размеры вертолета на 35-40% по сравнению с одновинтовым. Во втором случае меньшее аэродинамическое качество и дополнительные потери мощности на привод рулевого винта у одновинтового вертолета обусловливают меньшее значение полетной массы. Из-за наличия рулевого винта габаритные размеры одновинтового вертолета на 20% больше соосного.

Компактность планера соосного вертолета и сосредоточение тяжелых агрегатов вблизи центра масс приводят к заметному уменьшению моментов инерции относительно вертикальной и поперечной осей (рис. 2), что играет важную роль в обеспечении высоких характеристик управляемости и маневренности.

Рис 2. Моменты инерции соосных и одновинтовых вертолетов

Важнейшей особенностью соосного вертолета, существенно улучшающей характеристики устойчивости и управляемости, является его аэродинамическая симметрия. В процессе развития и становления авиастроения конструкторы неоднократно обращались к аэродинамически симметричным схемам. Аэродинамическая симметрия летательного аппарата обеспечивает целый ряд важных пилотажных свойств, и главное, простоту управления. Весьма наглядным в этом плане является пример развития самолетостроения: самолеты проектировались и строились только симметричные.

Вертолет одновинтовой схемы является аэродинамически несимметричным летательным аппаратом с присущим только ему рядом характерных особенностей. В вертолетостроении с этим смирились как с неизбежной платой за простоту технического решения. Однако история развития вертолетостроения показала, что эта простота кажущаяся. Создание работоспособного рулевого винта и трансмиссии, имеющих приемлемые ресурс и характеристики, – чрезвычайно сложная проблема, которая и в настоящее время остается актуальной.

Аэродинамическая симметрия соосной схемы вертолета обеспечивается отсутствием реактивного момента на его корпусе, относительной близостью верхнего и нижнего винтов и благоприятным влиянием их друг на друга, что приводит к малой разности их тяг в сбалансированном положении. Направленные в противоположные стороны боковые силы винтов уравновешивают друг друга, а поперечный момент, возникающий из-за малого разноса винтов, невелик. Благодаря отсутствию рулевого винта на соосном вертолете нет постоянно действующей переменной боковой силы. Конструкция соосных вертолетов обеспечивает гармоничное сочетание эффективности управления и аэродинамического демпфирования, что обусловливает хорошие характеристики управляемости. На рис. 3 представлены оценки характеристик управляемости ряда вертолетов в поперечном канале по стандарту Авиационного управления армии США ADS-33C «Требования к ручному управлению для военных вертолетов» для режима висения и полета на малой скорости. График зависимости постоянной времени запаздывания от характерной частоты отображает различные уровни управляемости вертолетов. Видно, что вертолет Ка-50 по своим характеристикам соответствует уровню управляемости 1 (отличные характеристики управляемости) «Требований» ADS-33C. При этом он имеет существенные преимущества перед другими вертолетами по величине запаздывания и по частоте.

Благодаря аэродинамической симметрии на соосном вертолете практически отсутствуют связи между продольным и боковым движением, обеспечивается независимость каналов управления и простота пилотирования. Управление таким вертолетом доступно летчикам средней квалификации.

Аэродинамическая симметрия в значительной степени меняет «лицо» вертолета. Отсутствие переменного (по режимам полета) момента рыскания и боковой силы, действующих на фюзеляж, улучшает характеристики устойчивости и управляемости, повышает безопасность полета и облегчает решение боевых задач в экстремальных условиях. На соосном вертолете отсутствуют связи между изменением мощности двигателей (общим шагом винтов) и путевым и поперечным управлением. На одновинтовом вертолете все маневры, в процессе которых меняется режим работы двигателей (разгоны и торможения, изменения высоты полета, «горки» и пикирования, боевые развороты и др.), сопровождаются путевой перебалансировкой и необходимостью парирования возникающих боковых сил креном и скольжением. Из-за отсутствия симметрии, постоянного изменения взаимосвязи между движением в вертикальной и горизонтальной плоскостях пилотирование одновинтового вертолета усложняется, что требует большей тщательности обучения.

Соосные вертолеты по простоте управления сопоставимы с самолетами для первоначального обучения. В то же время по летным характеристикам устойчивости, управляемости и маневренности они имеют превосходство над одновинтовыми вертолетами.

«Полет на соосном вертолете не составляет труда и, по существу, выполняется так же рефлекторно, как и ходьба, высвобождая все человеческие ресурсы для решения тактической задачи», – писал Заслуженный летчик-испытатель, Герой Советского Союза Н.П. Бездетное. Лучше об управляемости вертолета соосной схемы, наверно, не скажешь.

Рис 3. Уровни управляемости вертолетов на висении и в полете с малой скоростью

Рис 4. Независимостъ функционирования системы управения от угла скольжения

В процессе маневрирования решаются две задачи: выход на заданное направление и обеспечение требуемой разности высот по отношению к цели. Конечно, на практике эти задачи решаются в комплексе, но для лучшего понимания физической природы явлений рассмотрим их раздельно.

Маневры с изменением направления движения могут быть выполнены как под действием перегрузки (об этом мы поговорим отдельно), так и без нее. Маневры, при которых продольная ось вертолета ориентируется в заданном направлении, как правило, путем ввода вертолета в глубокое скольжение, называются «плоскими». Специфическая особенность вертолета – способность производить «плоские» развороты, реализуемая на висении и при перемещениях с малыми скоростями полета. Наиболее известным «плоским» маневром является разворот вертолета по курсу на режиме висения. Нужно отметить, что интенсивность современного боя и необходимость достижения тактического превосходства в боевой обстановке требуют расширения диапазона скоростей полета, на которых может быть использован «плоский» маневр.