Первые проблемы совместимости возникли в процессе летно-морских испытаний корабельного вертолета Ка-10 «Иркутянин» конструкции Н.И. Камова, проводившихся в копие 50-го - начале 51-го года на крейсере «Максим Горький» в акватории Балтийского моря.
Некоторые моменты процесса посадки весьма специфичны. К ним можно отнести нестационарность в пространстве взлетно-посадочной площадки (BПП) корабля, турбулентность воздушного потока над палубой, ограниченность площадей и объемов для размещения и применения вертолета, сложность его обслуживания в морских условиях.
Посадка о качка
Усилиями отечественных исследователей и конструкторов большинство проблем, связанных с практикой базирования вертолетов на корабле, было успешно разрешено. Речь ипет, в первую очередь, об исследовании структуры воздушного потока над ВПП и за кормой корабля. методов раскручивания и остановки лопастей несущего винта (HB) в турбулентном воздушном потоке, исследовании нагрузок на опоры шасси вертолета в процессе его посадки на ВПП качающегося корабля, методов взлета и посадки.
Развитие теории случайных процессов и применение ее к гидродинамической теории качки корабля позволило создать физическую модель качки при нерегулярном морском волнении, а также применить эту модель к исследованиям динамики движения ЛА в процессе взлета, транспортировки и посадки. Качка довольно сильно усложняет задачу обеспечения совместимости вертолета с кораблем. Среднестатистические характеристики килевой качки составляют 1-1,5°, бортовой 3-4°, вертикальной 1,5-2 м в центре водоизмещения. В области частоты 0.45-0,75 Гн, соответствующей максимальной спектральной плотности, колебания килевой качки опережают по фазе вертикальную качку на 45-50°.
Главной проблемой совместимости вертолета с кораблем является обеспечение процесса сближения и посадки машины на движущийся, качающийся корабль в сложных гидрометеорологических условиях. При этом траектория сближения значительно искривлена, а сам корабль подвержен периодическим перемещенияи. которые усложняют математическую модель общего плана. Отыскание методов компенсации периодических перемещений корабли, учет их воздействия на характеристики ЛА составляют значительную часть исследований теоретических основ динамической совместимости вертолета с объектом базирования.
Другим весьма важным аспектом исследования проблемы совместимости является изучение процесса раскручивания и остановки лопастей НЬ вертолета в турбулентном воздушном потоке и. как следствие, параллельная разработка требований к структуре этого воздушного потока над ВПП и за кормой корабля.
Обеспечение устойчивости субъекта базирования при стоянке па ВПП, транспортировке в ангар или обратно представляет собой особую, не менее сложную задачу в общей проблеме совместимости, которая рассматривается с учетом инерционных сил, действующих на вертолет со стороны корабля во время качки, что влияет на устойчивость и балансировку вертолета по сравнению с базированием на наклонной стационарной площадке.
Рис 1. Различная степень соляных отложений на лопатках компрессора: 1 - область повышенной коррозии, 2- область пониженной коррозии, 3- статор, 4- лопатка
Коррозия конструкции
В процессе эксплуатации вертолета на морских авианесущих объектах базирования он непосредственно сталкивается с воздействием на него морской среды, солнечной радиации, вызывающих разрушение защитного покрытия конструкции, появление очагов электролитической коррозии, уменьшение сопротивления изоляции, повышение переходных электрических сопротивлений металлизации. Все это приводит к коррозии таких важных элементов конструкции ЛА, как подшипники системы управления и втулки НВ, воздушно-газового тракта двигателей, коррозии агрегатов и электросоединений оборудования, а в целом - к снижению надежности вертолета.
Однако главным фактором, снижающим эксплуатационные возможности вертолета, является отложение солей на лопатках компрессора турбовального двигателя. Отложение солей снижает мощность двигателя я уменьшает запас устойчивости компрессора. Если не следить за этим процессом, то можно допустить летное происшествие, так как по истечении определенного интервала времени происходит лавинный коррозионный и эрозионный процессы па лопатках компрессора, приводящие к помпажу и дальнейшему разрушению двигателя.
На первых ступенях компрессора из-за большой скорости воздушного потока частицы соленой влаги в виде капель раздробляются вращающимися лопатками на еще более мелкие частички, что приводит к быстрому испарению воды. На последних ступенях компрессора тепло от сжатия воздуха способствует дополнительному выпариванию оставшихся частичек влаги. Самая большая концентрация соли имеет место па первых ступенях компрессора (рис. 1). Отложение соли отрицательно сказывается на КПД компрессора. Двигатель начинает работать на более напряженном режиме, его мощность и запас устойчивости газодинамического тракта по помпажу значительно снижаются.
Испытания и опыт эксплуатации палубных машин позволили выявить факторы, способствующие ускорению солевого отложения. Первый фактор связан с высотой висения ЛА над уровнем моря, направлением и скоростью ветра. Известно, что поток от НВ создает кольцо вспенившейся морской воды, из-за чего частицы соли переносятся по воздуху вперед и вверх. Взаимозависимость высоты висения, направления и скорости ветра может привести к попаданию в двигатели большого количества морской влаги. Современный турбовальный двигатель потребляет около 5-12 кг воздуха в секунду, что приводит к быстрому и большому отложению кристалликов соли на элементах компрессора. Вероятность отложения солей увеличивается в зависимости от размеров частиц волы. Экспериментально установлено, что крупные частицы диаметром около 500 мкм поднимаются НВ па высоту 3-5 и при его пролете на предельно малой высоте. Капли размером до 150 мкм обнаруживаются на высоте 9-10 м.
По зарубежным источникам, для двигателей типа ГТД Т-58 (Nвзл = 1100 л.с., расход воздуха 5.65 кг/с) количество захватываемой воды составляет:
3 см³/мин - при висении на высоте 0,5Dнв (Dнв - диаметр несущего винта);
8 см³/мин - при висении на высоте 0,3Dн .
На рис. 2 показана схема зависимости движения морской пыли, поднятой индуктивным воздушным потоком НВ вертолета, от направления и скорости ветра. Рисунок показывает, что наименее приемлемым для вертолета SH-3D Sea King является висение на высоте II = 0,8-1,2 м при скорости ветра 15 км/ч. 1! этом случае расстилающаяся по волной поверхности морская пыль поднимается встречным потоком воздуха и устремляв! ся в район воздухозаборников двигателей. При большей или меньшей скорости ветра этот эффект значительно уменьшается. Строго говоря, неблагоприятная высота висения зависит как от скорости ветра, так и от скорости индуктивного потока НВ. то есть от нагрузки его на ометаемую поверхность.
Высота висения над водной поверхностью является наиболее важным фактором, влияющим на осаждение солей на лопатках компрессора. На рис. 3 показана зависимость изменения: мощности двигателя по времени от высоты висения вертолета SH-2F Sea Light. На высоте ниже 3 м (oi уровня воды до колес шасси) график пришлось бы продлить сильно вверх. Нормальный режим висения вертолета SH-2F соответствует высоте висения не ниже 12 м. Для палубного Ка-32 эта высота соответствует 18 м. Надо отметить, что на этих высотах происходит заливание стекол кабины брызгами морской воды, что, естественно, значительно ухудшает условия работы экипажа, несмотря на интенсивное движение щеток стеклоочистителей.
