Wyścig o przyszłość śmigłowców [ANALIZA]

Śmigłowiec zrewolucjonizował pole walki i szereg obszarów cywilnego zastosowania, ale w klasycznej postaci jaką powszechnie znamy będzie miał zawsze ograniczenia względem samolotów w zakresie prędkości maksymalnych, zwrotności, łatwości pilotażu i chociażby ekonomiki zużycia paliwa. Jedną z jego głównych zalet wobec klasycznych samolotów stanowi zdolność wykonania zawisu, a przez to również operowania w trudno dostępnych miejscach.

Poszczególne układy konstrukcyjne obecnie wykorzystywanych maszyn mają swoje wady i zalety. Śmigłowce jednowirnikowe nie wymagają skomplikowanych i ciężkich mechanizmów przenoszenia mocy. W powiązaniu z dobrym wykorzystaniem właściwości silników, charakteryzują się korzystnym wskaźnikiem masowo-energetycznym i niskim poziomem wibracji.

Duże znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa ma łatwe przejście do lotu w warunkach autorotacji. Jednak taki układ z reguły posiada skomplikowaną budowę głowicy i łopat wirników nośnych. Same silniki wytwarzają duży hałas podczas pracy, trudny do wyciszenia oraz wpływający na komfort działania załogi i przewożonych osób. Około 10 proc. mocy silników w takich maszynach, zużywane jest do napędu śmigła ogonowego, a zamocowanie go na długiej belce wpływa na ograniczenia użytkowe (w tym załadunku czy związane z małym zakresem dopuszczalnego położenia środka masy), bezpieczeństwo i komfort użycia (drgania śmigłowca).

Korzystnymi cechami zastosowania dwuwirnikowego układu w śmigłowcach są dobra stateczność podłużna i szerszy zakres dopuszczalnych położeń środka masy. Lepiej też można wykorzystać objętość wnętrza kabiny (ze względu na umieszczenie z reguły silników ponad kadłubem). Wady to przede wszystkim skomplikowany układ przenoszenia mocy oraz sterowania, większe opory aerodynamiczne (zwłaszcza w locie poziomym) i trudniejsze przejście do autorotacji.

Wielowirnikowe śmigłowce pozwalają na znaczne zwiększenie udźwigu, ale ze względu na koszty związane z ich opracowaniem oraz eksploatacją nie znajdują szerszego zainteresowania zarówno na rynku cywilnym, jak i w zastosowaniach typowo militarnych. 

Nowe rozwiązania 

Poprawę możliwości (doskonałości) aerodynamicznych śmigłowców uzyskuje się poprzez zastosowanie materiałów kompozytowych w łopatach wirnika, skrzydłach i kadłubie, zastosowanie nowoczesnych systemów sterowania silnikiem i samym lotem maszyny.

Wprowadza się do konstrukcji systemy sterowania fly-by-wire. Nowoczesne wyposażenie obejmuje kokpity z wielofunkcyjnymi ekranami wielkoformatowymi, systemy IFR, zarządzania lotem, pozycjonowania za pomocą GPS, radary meteorologiczne czy nadajniki ratunkowe (ELT).

Jedną z zapowiedzi maszyn przyszłości w takiej klasycznej postaci jest FCX-001 koncernu Bell Helicopter. Powstaje on w oparciu o założenia zbudowania śmigłowca bezpieczniejszego dla użytkownika i środowiska, wprowadzającego nowy „inteligentny” interfejs człowiek-maszyna, a przy tym wykorzystującego najnowsze zdobycze technologiczne w obszarze budowy i wyposażenia wiropłatów.

Do nich można zaliczyć nowatorskie rozwiązanie belki ogonowej, niewielkie stateczniki pionowe zaprojektowane z założeniem zmniejszenia hałasu, drgań oraz znacznej poprawy parametrów eksploatacyjnych czy hybrydowe zespoły napędowe. Moment obrotowy wirnika nośnego jest równoważony (generowana jest potrzebna siła boczna) przez strumienie gazów, wydobywających się z dysz, napędzanych silnikami elektrycznymi, zabudowanymi w belce ogonowej. W konstrukcji wprowadzano rzeczywistość rozszerzoną i sztuczną inteligencję (jako element wsparcia pilotażu). Kabinę oparto o modułowe rozwiązania, również wyposażone w środowisko o rozszerzonej rzeczywistości.

Biorąc pod uwagę klasyczny układ napędowy należy wiedzieć, że kiedy wirnik obraca się z prędkością 670 km/h względem powietrza to maszyna przemieszcza się z prędkością 210 km/h, a końcówki krawędzi łopat w pozycji natarcia osiągają prędkość 885 km/h względem powietrza, by w pozycji wycofania mieć 470 km/h. Asymetria wynosi więc 415 km/h i powoduje zwiększenie oporu ruchu łopat oraz powstanie niekorzystnego obszaru opływu wokół maszyny, co wpływa na wytworzenie odpowiedniej siły nośnej.

W niewielkiej odległości od głowicy prędkość styczna do rotacji jest równa prędkości śmigłowca, ale skierowana w przeciwna stronę. W tym punkcie efektywna prędkość wynosi więc zero. Pomiędzy tym punktem a głowicą, opływ powietrza jest wsteczny, przechodząc nad łopatą od krawędzi spływu do krawędzi natarcia, co niekorzystnie wpływa na sprawność płata. Idąc w stronę końcówki płata, kąt natarcia szybko dochodzi do momentu przeciągnięcia a to powoduje spadek siły nośnej.

Wycofujące się łopaty zapewniają maksimum siły nośnej, nacierające zaś wpływają na siłę ciągu a więc również na wysokość lotu czy utrzymanie prędkości maksymalnej. Zwiększając prędkość obrotową wirnika zapobiegamy asymetrii, ale wprowadzamy końcówki łopat w większe drgania i duże prędkości. Wyrównanie tego stanu spowoduje spadek prędkości, ale zachowanie odpowiedniej siły nośnej. Dlatego śmigłowiec, który osiąga bardzo dobre wyniki w zawisie, zwykle gorzej sprawuje się w locie poziomym.

Koncepcją zwiększająca prędkość i zasięg przy pozostawieniu możliwości pionowego startu i lądowania jest zastosowanie obracanych zespołów śmigło-silnik (lub tylko śmigło) czy ruchomych układów skrzydło-silnik. W takim układzie skrzydła powodują obniżenie ciągu śmigieł podczas ich pracy, jako wirników nośnych, ale jednocześnie zwiększają wymiary statku powietrznego. Sam układ jest dość skomplikowany i wymaga specjalnej obsługi i użytkowania.

Pierwszym statkiem powietrznym, w którym zrealizowano tą koncepcję był Bell-Boeing V-22 Osprey, obecnie produkowany seryjnie dla USAF, US Navy i przede wszystkim Marine Corps oraz dla Sił Samoobrony Japonii. Wcześniej taki układ testowano na doświadczalnym XV-3 i XV-15. Obecnie do produkcji wejdzie też cywilny AW609 „TiltRotor” reprezentujący nową generację transportu lotniczego. Takie maszyny pozwalają na latanie przy bardziej niekorzystnych warunkach atmosferycznych i odznaczają się mniejszym hałasem i wibracjami niż typowy śmigłowiec oraz niższymi od niego kosztami eksploatacji.

V-22 osiąga prędkość maksymalną o ponad 150 km/h większą niż tradycyjne maszyny. Ospreya trudno jest zaliczyć do śmigłowców, chociaż jest on wyposażony w sterowanie okresowe i zespolone skoku. Jest to raczej samolot o bardzo dużych śmigłach. Duża prędkość obrotowa śmigieł zapewnia mu lot pionowy i zawis, wówczas jest on raczej mniej sprawny niż śmigłowiec. Ale te śmigła w locie poziomym dają mu dużo większą prędkość i zasięg.

Taki układ ma również swoje wady, jak duża masa i złożoność budowy podwójnego systemu napędowego oraz rozmiary samego płatowca związane m.in. z przyjętą koncepcją napędu. Trzeba też pamiętać, że duża moc potrzebna jest do lotu pionowego czy dokonania zawisu - w trakcie lotu poziomego następuje 15 proc. jej redukcja. Przy czym dla uzyskania większej efektywności/ekonomii taka redukcja powinna wynosić do 50 proc. Przyszłe prace w zakresie nowych technologii sprzęgieł i reduktorów zmierzają w kierunku zapewnienia właśnie tego efektu.

Konwencjonalne śmigłowce posiadają z reguły prędkość maksymalną w zakresie 280 do 350 km/h, gdy tymczasem V-22 jest w stanie osiągnąć 510 km/h.

Sam wzrost prędkości można osiągnąć poprzez zwiększenie mocy układu napędowego a tym samym prędkości wirnika lub zastosowanie dodatkowych powierzchni nośnych w postaci skrzydeł szczątkowych. Ale to wszystko powoduje wzrost zużycia paliwa (a tym samym redukuje udźwig użyteczny, zasięg czy wysokość lotu) oraz pewne ograniczenia w samej eksploatacji śmigłowców szczególnie w specyficznych warunkach (np. śmigłowce bazowania pokładowego, ratownicze itp.).

Inną drogą są mieszane układy napędu śmigłowców, ostatnio intensywnie rozwijane gdyż umożliwiają lot z dużą (jak na ten typ maszyn powietrznych) ekonomicznie uzasadnioną prędkością przelotową. Jej zwiększenie związane jest z odciążeniem wirnika głównego. Polega na zastosowaniu dodatkowych silników wytwarzających poziomą składową ciągu (innym zarzuconym z czasem rozwiązaniem było zabudowanie dodatkowych powierzchni aerodynamicznych wytwarzających znaczna siłę nośną).

Te kolejne kroki w rozwoju śmigłowców zastosowano w projektach Advancing Blade Concept w doświadczalnych modelach X2 firmy Sikorsky czy Airbus Helicopters (dawniej Eurocopter) X3. Powstały też/rozwijane są koncepcie podobne do V-22 w postaci tiltrotora V-280 Valor firmy Bell czy projektu firmy Karem – Optimum Speed Tilt-Rotor (OSTR).

X2 ma w swojej konstrukcji kilka nowoczesnych technologicznie rozwiązań jak system sterowania fly-by-wire, sztywny wirnik współosiowy, system przeciwdziałania rotacji, aktywny system kontroli wibracji, przekładnia redukująca poślizg oraz dodatkowy napęd do lotu poziomego. Maszyna ta ma masę 2722 kg i załogę składającą się z dwóch ludzi. Współosiowy wirnik główny zapewnia odpowiednia siłę nośną (sztywna, współosiowa obrotnica rotora głównego daje zbalansowaną siłę nośną na obie strony śmigłowca), a napęd poziomy - utrzymanie wysokiej prędkości maksymalnej. Ta maszyna jest zdolna do lotu z prędkością do 465 km/h (krótkotrwale nawet do 485 km/h).

Wariantami tej koncepcji są maszyna S-97 Raider (o masie 5 000 kg) powstała jako propozycja do programu Light Tactical Helicopter (LTH) oraz SB-1 Defiant (o masie 14 515 kg i możliwości przewozu 18 ludzi) rozwijana w ramach programu Joint MultiRole- Technology Demonstrator/Future Vertical Lift (JMR-TD/FVL). Konsorcjum firm Sikorsky i Boeing napotkało jednak pewne trudności związane z przeniesieniem technologii X2 do tej ostatniej, dużo większej maszyny.

SB-1 z napędem Lycoming/Honeywell T55 jest zdolny do lotu z prędkością ponad 465 km/h. Założenia konstrukcyjne dla V-280 z silnikami od General Electric GE T-64 dają do 520 km/h. Obie maszyny mają w założeniu dostać zupełnie nowe rodzaje napędów (pierwszy zastosowano już w CH-47 Chinook, a drugi w CH-53 Super Stallion) rozwijane w ramach programów Improved Turbine Engine Programe (ITEP) czy Future Affordable Turbine Engine (FATE).

X3 z kolei posiada dwa dodatkowe układy napędowe umieszczone po obu stronach kadłuba. Maszyna osiągnęła prędkość 474 km/h w locie poziomym i 490 km/h w ślizgu. Założeniem koncernu jest nie tylko uzyskanie większych prędkości lotu niż konwencjonalne śmigłowce, ale przede wszystkim zbudowanie takiej maszyny za przystępną cenę. Podobną koncepcję budowy zastosował koncern Boeing dla swojego prototypu badanego w ramach projektu European Clean Sky 2, którego pierwszy lot planowany jest w 2020 roku.

Amerykańska agencja DARPA zajmuje się testowaniem niskobudżetowej koncepcji DiscRotor. Jej celem jest uzyskanie nowego rodzaju napędu umożliwiającego lot z dużą prędkością oraz operowanie na dużych wysokościach. Konwencjonalny wirnik został zastąpiony łopatami połączonymi z umieszczonym nad nimi wirującym dyskiem (dla zapewnienia odpowiedniej siły nośnej) oraz napędem dodatkowym do lotu poziomego. Taki układ pozwala na uzyskanie prędkości pomiędzy 555 a 740 km/h. Wcześniej podobną konstrukcję zastosowano w doświadczalnej maszynie X-50 Dragonfly Canard Rotor Wing (CRW) koncernu Boeing. Jest to rozwiązanie obiecujące, ale napotyka też na problemy związane z obciążeniem dynamicznym i drganiem łopat, które są również zbyt wielkie w testowanej obecnie postaci.

Inną koncepcją rozwijaną przez DARPA jest program Mission Adaptive Rotor (MAR). Istotą tego projektu jest wprowadzenie nowego rodzaju kształtu wirnika pozbawionego tradycyjnych klap, slotów czy innych ruchomych elementów mechanicznych. Prostokątne łopaty zastąpiono konstrukcją przypominającą stożkowe ostrza z ukształtowanymi końcówkami. Taki układ zapewnia wzrost o 30 proc. udźwigu użytecznego, o 40 proc. zasięgu lotu, o 50 proc. zmniejszenie hałasu i o 90 proc. wibracji podczas lotu. Sam pilotaż przypomina ten z samolotu gdyż w przeciwieństwie do konwencjonalnego śmigłowca nie ma tak gwałtownych zmian w samej dynamice lotu. Prędkość śmigłowca jest szacowana na ponad 370 km/h.

Firmy Bell i Boeing zastosowały w realizacji programu MAR specjalny układ wirnika, w którym krawędź ostrza łopaty może z pewnym zakresem zmieniać położenie tak, by było ono różne w czasie natarcia i wycofania, zapewniając nieskończoną liczbę stopni zmienności. Ta koncepcja ma zostać również z czasem zastosowana w V-22.

Kolejny program to VTOL X-Plane, który jest najnowszym projektem rozwijanym od 2013 roku. Zastosowane w nim rozwiązania konstrukcyjne dają unikalne możliwości mające znaczny wpływ na użyteczność takiej konstrukcji.

Zbudowany w tym układzie statek powietrzny posiadał będzie zdolności do osiągania od 520 do nawet 750 km/h prędkości. Daje to wzrost od 60 do 75 proc. w porównaniu z tradycyjnymi śmigłowcami oraz przy takiej samej masie maszyna może zabrać o 40 proc. większy ładunek użyteczny.

Występuje kilka koncepcji zastosowanego w nim układu napędowego. Jedna z nich polega na wyposażeniu maszyny w silnik Roll-Royce AE 1107C, który daje moc dla trzech generatorów elektrycznych Honeywell, które to z kolei przekazują ją na 24 wentylatory kanałowe umieszczone w skrzydłach.

Inna zawiera kombinację dwóch otwartych wentylatorów w kadłubie i dodatkowo kolejnych w pochylonych skrzydłach. Proponowany jest też układ ze skrzydłami o stałej dynamice oraz zaawansowanym sterowaniem wirnikiem. Pierwsze prototypy mogą się wznieść w powietrze już w 2018 roku.

Nie tylko Amerykanie i Europejczycy pracują nad nowymi rozwiązaniami w dziedzinie statków powietrznych mogących zastąpić obecnie wykorzystywane śmigłowce. Również w Rosji rozwijany jest program Russian Advanced Commercial HELicopter (RACHEL). Założeniem jest zbudowanie maszyny, która osiągnie prędkość 500 km/h. Nad projektem pracują biura konstrukcyjne Mila, jak i Kamowa. Z ujawnionych materiałów wynika, że główny nacisk położono na skonstruowanie zupełnie nowego typu wirnika. Prototyp ma powstać w 2018 roku a seryjna produkcja rozpocznie się w 2020 roku. Oba biura czerpią z doświadczeń nad wcześniej badanymi prototypami – Ka-92 i Mi-1X. Rosyjskie ministerstwo obrony zakłada pozyskanie maszyn zdolnych latać z prędkością 350-380 km/h w okresie 2018-2025.

Podsumowanie

Gdy w wypadku samolotów bojowych mówimy o użytkowaniu bądź wdrożeniu do produkcji już piątej generacji, to w przypadku śmigłowców jest to druga, a może niedługo i trzecia generacja.

W stosunkowo krótkim okresie czasu możemy poznać konstrukcję, która będzie rozwijana, by sprostać wymogą programu JMR-TD/FVL (prędkość ponad 230 węzłów i możliwość transportu 12 w pełni wyposażonych żołnierzy). Zwycięzca programu FAL – Medium zastąpi UH-60 Black Hawk, programu FAL-Attack AH-64 Apache a FAL-Heavy CH-47 Chinook w US Army. Mowa tu o ponad 4000 maszynach, które zrewolucjonizują rynek nie tylko w USA, ale i na całym świecie. US Army poszukuje zupełnie nowych maszyn o większej prędkości, zasięgu, możliwościach transportowych a przy tym łatwiejszych w użytkowaniu i ekonomiczniejszych w codziennej eksploatacji.  

Również dynamicznie rozwijane są systemy rozszerzonej rzeczywistości mogące w przyszłości zrewolucjonizować prowadzenie działań na polu bitwy, w znaczący sposób polepszając świadomość sytuacyjną załóg. Intensywnie rozwija się śmigłowce bojowe bezzałogowe oraz współpracę maszyn załogowych z BSP różnego typu.

Wirtualna kabina załogi śmigłowca przyszłości da możliwość nieograniczonej zmiany konfiguracji wirtualnych wskaźników i sterownic oraz pozwoli na natychmiastowe dopasowanie do wymagań interfejsu człowiek-maszyna w oparciu o indywidualne preferencje, cele misji czy otrzymane zadania.

Jak będzie wyglądać przyszłość śmigłowca, dowiemy się już niebawem.