Выбор вертолета: ДВС или ГТД?

Надежность ГТД – есть о чем поспорить.

Действительно ли газотурбинные двигатели надежнее поршневых? Ответ зависит от вертолета, считает Тим Такер, инструктор с налетом более 18 000 часов. Слово – профессионалу, который был признан в США «Выдающимся летным инструктором» 2000 года.

Оптимальные компромиссы

Двигатели обоих типов «переваривают» топливовоздушную смесь одинаково: оба имеют системы впуска, сжатия, сгорания и выхлопа. Различие в том, что в поршневом двигателе каждое действие должно следовать за предыдущим, тогда как в газотурбинном двигателе все действия происходят одновременно и непрерывно. Другое различие в том, что в турбинном двигателе каждая операция выполняется особым компонентом, сконструированным именно для нее, в то время как в поршневом все происходит в «одном стакане» камеры сгорания.

Каждая конструкция заключает в себе свой собственный набор компромиссов. С точки зрения термического коэффициента полезного действия, поршневой двигатель более эффективен. Он имеет длинную историю развития и совершенствования, но сложную конструкцию.

Простота устройства турбинного двигателя способствовала его репутации как надежного, но он сжигает больше топлива, чем поршневой. Поршневой двигатель занимает больше места, но турбинный — намного дороже. Турбинный двигатель относительно легкий, поршневой – очень тяжелый.

Вероятно, самое важное различие в высокой удельной мощности турбинного двигателя. Лучшие из крупных современных поршневых двигателей достигли удельной мощности в одну лошадиную силу на фунт, в то время как некоторые турбинные двигатели вертолетов могут развивать мощность на валу в шесть лошадиных сил на фунт. При мощностях более 350-400 л.с. газотурбинные двигатели являются лучшим выбором. Ниже этого порога будут предпочтительнее поршневые.

Газотурбинные двигатели приобрели репутацию надежных вовсе не потому, что они исключительно надежные, а скорее из-за того, что ранее поршневые двигатели вертолетов были относительно ненадежны. Лошадиные силы таких двигателей пропорциональны частоте оборотов. Это означает, что мы можем извлечь из двигателя больше лошадиных сил, если увеличим скорость вращения его рабочего вала. А если мы снизим частоту оборотов двигателя на 10%, то он выдаст нам только 90% номинальной мощности.

А теперь возьмем для примера поршневые вертолеты конца 1950 – начала 1960 годов: Bell 47, Hiller UH-12, Enstrom F-28 и Hughes 269. Всем этим вертолетам требуется немало лошадиных сил для того, чтобы оторваться от земли и взлететь. Неслучайно производители вертолетов часто заимствовали поршневой двигатель, который годами успешно использовался на самолетах, и устанавливали его на вертолет. Так поступил Enstrom с F-28 и Hughes в серии 269.

Надо сказать, что производители самолетов вынуждены ограничивать частоту оборотов двигателя из-за возникающего неблагоприятного эффекта уплотнения воздуха при высокой скорости вращения воздушного винта. Производители вертолетов избавлены от необходимости считаться с этими ограничениями. Если они хотят получить больше лошадиных сил, все, что для этого нужно, – увеличить частоту оборотов двигателя!

Как раз это все они и сделали. Взять, к примеру, Lycoming O-360. В типовой установке самолета (Piper Cherokee 180) двигатель работает при частоте вращения 2700 оборотов и производит 180 л.с. Hughes заимствовал аналогичный двигатель (HIO – 360 – D1AD, вариант с впрыском топлива), увеличил частоту вращения до 3050 оборотов и получил 190 л.с.! Enstrom работает над другой версией того же двигателя (HIO – 360 – F1AD), при частоте 3050 оборотов он получает уже 225 л.с.

Теперь, как вы думаете, что произойдет с надежностью двигателя, если он постоянно будет работать на высоких оборотах, чтобы вы могли выжать из него больше лошадиных сил? Все просто – надежность пострадает. Осознавая это, Lycoming снизил межремонтный ресурс двигателей, устанавливаемых на вертолетах, с 2000 до 1600 часов.

Одним из первых вертолетов, на котором я летал инструктором, был Enstrom F-28A с двигателем Lycoming, и механик однажды сказал мне, что его серьезно беспокоит каждый час наработки свыше 1000 часов. По каким признакам пилот может утверждать, что двигатель не дотянет или не дотянул до межремонтного ресурса? По тому, что двигатель самопроизвольно перестает работать. Поэтому неслучайно «форсированные» поршневые двигатели вертолетов 1950-х и 1960-х годов заслужили репутацию ненадежных. И когда Bell Helicopter и Hughes создали рынок легких гражданских вертолетов серий 206А и 369 с ГТД, началась история веры в чудесную «надежность газотурбинных двигателей».

Опровержение мифа

На протяжении 1970-х годов небольшие газотурбинные вертолеты прочно заняли рынок в гражданском секторе. При практически незаметных улучшениях конструкций и надежности странным образом уцелевших поршневых вертолетов с одной стороны и 1000 летчиков, получивших во Вьетнаме опыт пилотирования на вертолетах с ГТД – с другой. Убежденность в надежности газотурбинных двигателей прочно угнездились в психологии вертолетной индустрии.

Тем временем в конце 1970-х произошло событие, впоследствии буквально перевернувшее общепринятое представление о надежности газотурбинных двигателей. В марте 1979 года Федеральное управление гражданской авиации выдало сертификат Robinson Helicopter Company на новенький вертолет R22. Он стал первым вертолетом, сертифицированным в соответствии с буквально только что введенной и очень строгой 27-ой частью Федеральных авиационных правил, и первым совершенно новым вертолетом с поршневым двигателем, представленным на сертификацию за 20 лет.

Фрэнк Робинсон применил неординарный подход к конструированию. Вес, а точнее, его снижение было положено в основу принятия конструкторских решений. Снижая вес и отдавая безусловное предпочтение аэродинамике в дизайне, Робинсон сумел создать конструкцию, которая могла летать, не требуя от двигателя большой мощности. Это позволило конструктору сделать нечто совсем необычное. Если производители поршневых двигателей для увеличения мощности стремились увеличить обороты двигателя, Робинсон их снизил, уменьшив мощность, ограничивая число лошадиных сил, которые позволительно использовать пилоту.

На R22 Beta установлен Lycoming O-320 B2C, надежный двигатель, очень хорошо зарекомендовавший себя на самолете. О-320 устойчиво работает при 2700 оборотах и выдает 160 л.с. Робинсон снизил обороты до 2652 и позволил пилотам использовать 131 л.с. в течение 5 минут и 124 как максимально продолжительную мощность. На современном R22 Beta II установлена модификация того же Lycoming O-360, как и Hughes с Enstrom, но пилоты К22 снова ограничены 131 л.с. в течение 5 минут и 124 л.с. для продолжительной мощности.

В результате снижения мощности двигателя Lycoming утвердил 2000 часов для межремонтного ресурса на R22, как для самолета, что случилось впервые в истории авиастроения.

Robinson применил тот же подход для 4-местного R44. Вертолет оснащен двигателем Lycoming О-540-F1B5, который обычно выдает 260 л.с. при 2800 оборотах. В R44 частота вращения снижена до 2692 и пилоту разрешается использовать 225 л.с. в течение 5 минут и 205 л.с. для максимально продолжительной мощности. Пятиминутная мощность (225 л.с.) – это только 86,5% от полной мощности двигателя, тогда как 205 л.с. всего лишь 78,8%.

Спустя годы Lycoming был так впечатлен надежностью и состоянием двигателей R22 и R44. что увеличил межремонтный ресурс до 2200 часов. Впервые поршневому двигателю, установленному на вертолете, был установлен более длительный межремонтный ресурс, чем аналогичному двигателю, поднимающему в небо самолет.

Снижение мощности превратило поршневой двигатель в более надежную силовую установку, чем небольшие газотурбинные двигатели. Таблица слева отчетливо показывает это.

Таблица основывается на сводках происшествий национального комитета безопасности перевозок за пятилетний период с января 1993 года по декабрь 1997 года. Она представляет причины происшествий в процентном соотношении к общему количеству происшествий и сравнивает поршневые R22/R44 с газотурбинными Bell 206 и MD 500.

Следующая таблица (ниже) еще более показательна. Она содержит данные национального комитета безопасности перевозок по отказам R44 в сравнении с легкими вертолетами, оснащенными газотурбинными двигателями в пятилетний период с января 1996 года по декабрь 2000 года.

Хотя общее количество происшествий на вертолетах R44 значительно ниже вследствие различий в количестве для каждого типа ВС в США, на вертолете R44 не было ни одного происшествия, вызванного отказом двигателя.

После двадцатилетней практики снижения мощности в поршневых двигателях Robinson точно установлено, что двигатели, в которых надлежащим образом снижается мощность, стоят меньше, эксплуатируются экономнее и более надежны.

Я пилот-испытатель, назначенный федеральным управлением гражданской авиации, уполномочен проводить летные испытания, как на поршневых, так и на газотурбинных вертолетах. Когда я набираю высоту на R22 или R44, я точно знаю, что двигатель со сниженной мощностью вернет меня домой.

Статистика