С.В. Коровкин, главный
специалист АО «Атомэнергопроект»
Принцип
действия большинства электродвигателей основан на том, что в одной части
электродвигателя (статоре) создается вращающееся магнитное поле, которое
раскручивает другую часть электродвигателя (ротор). Если на электродвигатель подать
электроэнергию и организовать свободное парение (например, в невесомости), то
при включении электродвигателя статор посредством вращающегося магнитного поля
начнет раскручивать ротор, при этом, в соответствии с третьим законом Ньютона,
ротор с точно таким же крутящим моментом начнет в противоположном направлении
раскручивать статор.
Если на
ротор и на статор электродвигателя насадить пропеллеры, то получим движитель,
создающий при вращении в воздухе подъемную силу (Фиг.1).
Фиг.1
1 – ротор электродвигателя; 2 – статор
электродвигателя; 3 – верхний пропеллер; 4 – нижний пропеллер
Особенностью
такого движителя является отсутствие внешнего крутящего момента, так как
крутящие моменты пропеллеров взаимно компенсируются.
Проблема
компенсации реактивного момента несущего винта является основной проблемой при
конструировании вертолетов. Для компенсации реактивного момента применяются
различные схемы (Рис.2)
Рис. 2. Схемы вертолетов:
а — соосная; б — поперечная; в — одновинтовая; г — продольная; 1 —
несущий винт; 2 — рулевой винт; 3 — фюзеляж; 4 — шасси
Вертолет
соосной схемы компактнее по сравнению с остальнымисхемами, устойчивее в полете
и легче в управлении. Однако, привод соосного вертолета является чрезвычайно
сложным и дорогим агрегатом. Трудности в создании редуктора, передающего
вращение на оба винта и способного надежно работать в условиях полета таковы,
что в настоящее время только российская фирма Камова способна серийно
производить соосные летательные аппараты.
Фиг. 3
Вертолет соосной схемы Ка-27 с
турбовальными двигателями
В
схеме, показанной на Фиг. 1, компенсация реактивного момента пропеллеров
происходит автоматически и не требует редуктора, что делает ее перспективной в
качестве привода вертолета.
В
2019 году запатентована схема электропривода несущих винтов, раскрепляемых к
ротору и статору электродвигателя (привод
Коровкина).
Фиг.4
Схема вертолета с приводом Коровкина
1 – корпус;2 – источник электроэнергии; 3 –
скользящие токоподводы; 4 – статор электродвигателя; 5 – ротор
электродвигателя; 6 – вал ротора; 7 – верхний несущих винт; 8 – опорный вал; 9
– нижний несущий винт; 10 – подшипник; 11 - токопроводы
Для проверки работоспособности схемы собран привод (Фиг.5).
Фиг.5
Привод Коровкина
Изготовлена модель летательного
аппарата (Фиг.6).
Фиг.6
Модель летательного
аппарата с приводом Коровкина
Видеоролик
об испытании размещен здесь:https://www.youtube.com/watch?v=iQF142N-SAI
При
одинаковых габаритах летательного аппарата ометаемая площадь несущих винтов для
аппарата с соосными винтами в полтора раза больше, чем у наиболее
распространенных в настоящее время квадрокоптеров (Фиг.7).
Фиг.7
Сравнение ометаемой
площади квадрокоптера и вертолета
соосной схемы
Так
как подъемная сила вертолета пропорциональна ометаемой площади винтов, то
летательные аппараты соосной схемы намного эффективнее,чем квадрокоптеры.
Кроме
того, соосная схема вертолета энергетически выгоднее, чем схемы с разнесенными
винтами, так как мощность, необходимая для поддержания аппарата в воздухе,
обратно пропорциональна диаметру несущего винта.
Электрические
летательные аппараты с новым приводом могут летать дальше и переносить больший
груз, чем существующие квадрокоптеры и другие дроны с несколькими винтами.
Создание
пассажирских и грузовых электрических вертолетов пока невозможно, так как не
решена проблема с источниками электроэнергии. Нынешние аккумуляторы, даже
литий-ионные и литий-полимерные по своим энергетическим и весовым
характеристикам не годятся для создания конкурентоспособных крупноразмерных
летательных аппаратов.
Однако,
открывается возможность создания летательного аппарата большой грузоподъемности,
получающего электроэнергию по кабелю от внешнего источника, то есть «летающего
крана» (Фиг. 8).
Фиг.8
Летающий кран
Конструктивно
летательный аппарат представляет собой электродвигатель с несущими винтами и
опорой. Все силовые элементы работают только на растяжение, изгибающих моментов
нет, масса аппарата минимальна.
Важнейшим
требованием к «летающему крану» является возможность перемещения стандартных
морских контейнеров массой до 30 т. Технические параметры такого «летающего
крана» оцениваются следующим образом:
Масса
без груза - 10 т
Максимальная
взлетная масса – 40 т
Максимальная
масса груза – 30 т
Диаметр
винта – 35 м
Мощность
электродвигателя – 2000 кВт
Радиус
действия – 800 м
Масса
электрического кабеля –5 т
Одним
из самых больших грузовых вертолетов в мире является МИ-10. (Фиг.9).
Фиг.9
Вертолет МИ-10
Технические
данные вертолета МИ-10:
Масса
без груза - 27 т
Максимальная
взлетная масса – 43.5 т
Максимальная
масса груза – 16.5 т
Диаметр
несущего винта – 35 м
Из
таблицы видно, что работать с морскими контейнерами МИ-8 не может. Это
относится и к другим грузовым вертолетам.
Наиболее
перспективным представляется использование «летающего крана» для
разгрузочно-погрузочных операций при морских перевозках в Северном ледовитом
океане. Узким местом при доставке грузов по Северному морскому пути для грузополучателей,
расположенных на берегах северных морей, является проблема «последней мили». На
причалы северных морей, в большинстве своем мелководных и большую часть года
покрытых льдом, доставить груз с проходящего ледокольного каравана весьма
проблематично. При оснащении ледокола «летающим краном» корабли могут разгружаться
и загружаться непосредственно с фарватера (Фиг.10).
Фиг.10
Схема работы «летающего крана» ледокольного
базирования
Весьма
эффективным может быть использование транспортных систем с «летающим краном»
наземного базирования для доставки грузов на площадки строящихся АЭС (Фиг.11).
Фиг.11
Схема работы «летающего крана» наземного
базирования
Площадки АЭС, расположенных морском берегу,
обычно удалены от большого портового города на несколько десятков километров,
что приводит к дополнительным логистическим операциям и дополнительным расходам
при доставке грузов. Так как около большая часть грузов, доставляемых на АЭС
при строительстве имеют массу не более 30 т, то транспортные системы,
доставляющие грузы на строительную площадку непосредственно с кораблей,
представляются весьма выгодными.
