Система NOTAR
Идея системы NOTAR состоит в использовании для создания боковой силы, обеспечивающей компенсацию реактивного момента несущего винта и управление курсом, так называемой суперциркуляции на хвостовой балке и тяги реактивной струи, истекающей из бокового сопла поворотного струйного руля, расположенного в конце хвостовой балки.
Для получения эффекта суперциркуляции в боковой поверхности хвостовой балки выполняется продольная щель, через которую по касательной к поверхности выдувается сжатый воздух. Струя от несущего винта, обтекающая хвостовую балку сверху на режиме висения, в зоне действия истекающей через щель струи прижимается к поверхности хвостовой балки и обтекает эту ее сторону без срыва. С другой стороны балки, где щели нет, обтекание происходит как обычно, т.е. со срывом. В результате возникает боковая аэродинамическая сила, компенсирующая реактивный момент от несущего винта.
NOTAR — существенное увеличение безопасности
Система NOTAR состоит из сопловой и циркуляционной подсистем. Циркуляционная подсистема использует эффект Коанда при выдуве высокоскоростных струй через продольные щели на цилиндрической хвостовой балке, благодаря которому при обтекании хвостовой балки индуктивным потоком от несущего винта создается аэродинамическая сила, компенсирующая на плече относительно оси несущего винта часть реактивного момента. На висении эта доля составляет 2/3 потребного момента. Оставшуюся часть момента создает сопловая подсистема, обеспечивающая также управление в зависимости от положения педалей и потребного момента. Сопло представляет собой решетку из направляющих пластин, разворачивающих поток из осевого направления внутри хвостовой балки в поперечное направление для выдува. Снаружи направляющего аппарата находится управляемый подвижный кожух с отверстием. При вращении кожуха обеспечивается различная степень совмещения отверстия на нем с выходными каналами соплового аппарата и изменение направления и величины тяги, создаваемо й соплом. Управление также подведено к лопаткам осевого вентилятора, обеспечивая соответствие изменения расхода воздуха положению заслонки. На режимах полета с большой горизонтальной скоростью доля момента, создаваемого циркуляционной системой, падает. Для обеспечения балансировки и управления по курсу на этих режимах применены управляемые килевые поверхности.
В 1974 году Joseph Velazques, являющийся сотрудником фирмы «Lockheed», получил патент США на «Систему обеспечения балансировки и управления в путевом канале и создания пропульсивной силы» для вертолета одновинтовой схемы. В качестве системы путевой балансировки была предложена циркуляционная и сопловая подсистемы. Однако циркуляционную подсистему предполагалось использовать только на наиболее критичных режимах полета — висении и малых скоростях полета. Продольные щели циркуляционной подсистемы были снабжены подпружиненными пластинами, открывающимися при повышении давления в хвостовой балке вертолета. Предполагалось использовать околозвуковые струи и щели с толщиной около 0,5 мм.
Исследователи из фирмы «Summa Corporation», являющейся вертолетным подразделением фирмы «Hughes», развили идеи Velazques’а и в 1977—1978 годах были проведены предварительные исследования подобной системы. В 1980 г. был получен патент США на «Вертолетную противомоментную систему с использованием управления циркуляцией». В 1981 г. фирма получила ассигнования от Министерства обороны США в размере 1,4 миллиона долларов на проведение 30-часовых летных испытаний. Первый полет экспериментального аппарата, созданного на базе вертолета OH-6A, состоялся 17 декабря 1981 г.
После продажи фирмой «Hughes» своего вертолетного подразделения фирме «McDonnell Douglas Corp.» были продолжены испытания системы NOTAR. Новые вертолеты фирмы проектируются с применением системы NOTAR. В 1990 г. были получены патенты США и европейских стран на «Щели управляемой циркуляции для системы путевого управления вертолета». После доводки системы NOTAR фирма «McDonnell Douglas Corporation» выпустила в 1989 г. серийный аппарат MD 520N, основой для которого послужил вертолет семейства MD 500. В 1995 г. фирма выпустила MD 900 «Explorer», а в 1996 г. — MD 630N.
Вертолет продемонстрировал высокие показатели путевого управления. Скорость установившегося разворота достигала 100 °/сек. при полной даче левой педали. Разворот прекращался точно в направлении начала при полной даче правой педали на 270 градусах. При развороте нет необходимости работать ручкой общего шага, что свидетельствует о малых дополнительных затратах мощности на путевое управление. Перекладка из одного разворота в другой на висении занимает менее 0,5 секунды. Разворот на 360° с фиксацией в конечном положении выполнялся за 4 секунды. При этом опытный вертолет имел вдвое больший момент инерции относительно вертикальной оси из-за увеличения массы хвостовой балки и связанного с этим применения балансировочного груза в носу вертолета. Скорость бокового движения возросла с 37 до 75 км/час. Увеличились также и скорости движения вперед и назад до 240 и −55 км/час соответственно. При боковом полете не отмечено обычного для рулевого винта режима вихревого кольца или аналогичного ему, когда в ертолет становится статически неустойчивым в путевом канале управления.
Отсутствует или мала зависимость положения педалей от положения рычагов общего и циклического шага на всех режимах полета, кроме режима малых скоростей для продольного канала управления. Взлет, вертикальный подъем, висение вне земного влияния, снижение и посадка осуществляются при неподвижном положении педалей, когда левая педаль чуть отдана. В горизонтальном полете при скорости более 10 узлов (19 км/час) педали устанавливаются в нейтральное положение. Это способствует снижению нагрузки на пилота, а также не перегружает трансмиссию на критичных режимах полета.
При развороте на 360° при полете со скоростью 30 узлов (55 км/час) не отмечалось привычного для вертолета с рулевым винтом увеличения вибраций для положения вертолета хвостом к ветру. Перемещения педалей оставались минимальными.
По заявлению фирмы «McDonnell Douglas Corporation» около 68 % несчастных случаев, произошедших в США с 1988 по 1993 гг. с однодвигательными вертолетами одновинтовой схемы, или 14 % происшествий со всеми вертолетами можно было бы избежать, применив систему путевой балансировки типа NOTAR. Система NOTAR по заявлению фирмы на 20 % надежнее, на 35 % снижена уязвимость и шум по сравнению с рулевым винтом. Уменьшены вибрации и механическая сложность элементов, что увеличило надежность и ремонтопригодность.
Отсутствие рулевого винта позволяет не только существенно повысить безопасность летного состава, обслуживающего персонала и пассажиров, понизить вероятность столкновения с препятствиями, но и сократить число вращающихся деталей и, следовательно, расходы на эксплуатацию.
Система NOTAR обеспечивает значительное снижение общей уязвимости вертолета от баллистических повреждений, повышает безопасность эксплуатации вертолета вблизи препятствий и уменьшает опасность травмирования обслуживающего персонала. Снижается уровень вибраций и динамического нагружения элементов системы. Уменьшается масса вертолета и его момент инерции относительно вертикальной оси.
Система NOTAR значительно уменьшает уровень шума, создаваемый вертолетом на местности. Снижению шума способствует экранирование нагнетающего вентилятора элементами конструкции. Кроме того, окружная скорость лопаток вентилятора составляет около 140 м/сек., в то время как у рулевых винтов этот показатель составляет 200—220 м/сек. Вертолет MD 520N создает на местности шум, составляющий 80,2 дБ, MD 600N — 79,0 дБ, MD 900 «Explorer» — от 81,2 до 83,1 дБ в зависимости от модификации. Для сравнения, вертолеты аналогичного с MD 600N класса создают 84,2 (AS 350) и 85,1 дБ (Bell 407). А вертолеты аналогичного с MD 900 класса создают 86,2 (AS 355N), 89,1 (A109 K2), 89,7 (BK 117 C1), 90,5 (Bell 230) и 90,9 дБ (BO 105 CBS). Измерение звуковых давлений производится в логарифмической шкале и соотношение уровней звуковых давлений равно отношению экспонент показаний в беллах. Поэтому MD 900 «Explorer» создает по сравнению с BO 105 CBS в 2,6 раза меньшие акустические пульсации. Вертолеты с системой NOTAR являются самыми тихими вертолетами в своем классе.
Полная потребная мощность вертолета с системой NOTAR меньше, чем у вертолета с рулевым винтом. Это объясняется тем, что эта система обеспечивает плавное управление и не требует резких перемещений ручки управления при нормальном висении.
По материалам статьи «Новые системы управления вертолетами», О. М. Джоган.