Как устроен вертолет? Система механического управления вертолета По типу управления
За последнее время в мире вертолетной техники произошло несколько значимых событий. Американская компания Kaman Aerospace объявила о намерении возобновить производство синхроптеров, Airbus Helicopters пообещала разработать первый гражданский вертолет с электродистанционным управлением, а немецкая e-volo - испытать 18-роторный двухместный мультикоптер. Чтобы не запутаться во всем этом разнообразии, мы решили составить краткий ликбез по основным схемам вертолетной техники.
Впервые идея летательного аппарата с несущим винтом появилась около 400 года нашей эры в Китае, однако дальше создания детской игрушки дело не пошло. Всерьез инженеры взялись за создание вертолета в конце XIX века, а первый вертикальный полет нового типа летательного аппарата состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. В 1922 году авиаконструктор Георгий Ботезат испытал вертолет-квадрокоптер, разработанный по заказу Армии США. Это был первый в истории устойчиво управляемый полет техники такого типа. Квадрокоптер Ботезата сумел взлететь на высоту пяти метров и провел в полете несколько минут.
С тех пор вертолетная техника претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня делится на пять типов: автожир, вертолет, винтокрыл, конвертоплан и X-крыло. Все они отличаются конструкцией, способом взлета и полета, управлением несущим винтом. В этом материале мы решили рассказать именно о вертолетах и их основных типах. При этом за основу была взята классификация по компоновке и расположению несущих винтов, а не традиционная - по типу компенсации реактивного момента несущего винта.
Вертолет является винтокрылым летательным аппаратом, у которого подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Такие винты располагаются параллельно земле, а их лопасти устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения, причем угол установки может изменяться в достаточно широких пределах - от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.
Во время вращения лопасти захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению винта. В результате перед винтом создается зона пониженного давления, а за ним - повышенного. В случае вертолета так возникает подъемная сила, которая очень похожа на образование подъемной силы фиксированным крылом самолета. Чем больше угол установки лопастей, тем большую подъемную силу создает несущий винт.
Характеристики несущего винта определяются двумя основными параметрами - диаметром и шагом. Диаметр винта определяет возможности вертолета по взлету и посадке, а также отчасти величину подъемной силы. Шаг винта - это воображаемое расстояние, которое воздушный винт пройдет в несжимаемой среде при определенном угле установки лопастей за один оборот. Последний параметр влияет на подъемную силу и скорость вращения ротора, которую на большей части полета летчики стараются держать неизменной, меняя только угол установки лопастей.
При полете вертолета вперед и вращении несущего винта по часовой стрелке, набегающий поток воздуха сильнее воздействует на лопасти с левой стороны, из-за чего возрастает и их эффективность. В результате левая половина окружности вращения винта создает большую подъемную силу, чем правая, и возникает кренящий момент. Для его компенсации конструкторы придумали - это особая система, которая уменьшает угол установки лопастей слева и увеличивает его справа, выравнивая таким образом подъемную силу по обе стороны винта.
В целом, вертолет имеет несколько преимуществ и несколько недостатков перед самолетом. К преимуществам относится возможность вертикального взлета и посадки на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта. При этом вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. Вертолеты отличаются и лучшей маневренностью, поскольку могут висеть вертикально, лететь боком или задом-наперед, поворачиваться на месте.
К недостаткам же относятся большее, чем у самолетов, потребление топлива, большая инфракрасная заметность из-за горячего выхлопа двигателя или двигателей, а также повышенная шумность. Кроме того, вертолетом в целом сложнее управлять из-за ряда особенностей. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.
У вертолетной техники любых схем существует режим авторотации. Он относится к аварийным режимам. Это означает, что при отказе, например, двигателя несущий винт или винты при помощи обгонной муфты отсоединяются от трансмиссии и начинают свободно раскручиваться набегающим потоком воздуха, тормозя падение машины с высоты. В режиме авторотации возможна управляемая аварийная посадка вертолета, причем вращающийся несущий винт через редуктор продолжает раскручивать рулевой винт и генератор.
Классическая схема
Из всех типов вертолетных схем сегодня самой распространенной является классическая. При такой схеме машина имеет только один несущий винт, который может приводиться в движение одним, двумя или даже тремя двигателями. К этому типу, например, относятся ударные AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Ми-28Н, транспортно-боевые Ми-24 и Ми-35, транспортные Ми-26, многоцелевые UH-60L Black Hawk и Ми-17, легкие Bell 407 и Robinson R22.
При вращении несущего винта на вертолетах классической схемы возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Для компенсации момента используют рулевое устройство на хвостовой балке. Как правило им является рулевой винт, но это может быть и фенестрон (винт в кольцевом обтекателе) или несколько воздушных сопел на хвостовой балке.
Особенностью классической схемы являются перекрестные связи в каналах управления, обусловленные тем, что рулевой винт и несущий приводятся одним и тем же двигателем, а также наличием автомата перекоса и множества других подсистем, ответственных за управление силовой установкой и роторами. Перекрестная связь означает, что при изменении какого-либо параметра работы воздушного винта, поменяются и все остальные. Например, при увеличении частоты вращения несущего винта возрастет и частота вращения рулевого.
Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта: вперед - машина полетит вперед, назад - назад, вбок - вбок. При наклоне оси вращения возникнет движущая сила и уменьшается подъемная. По этой причине для сохранения высоты полета летчику необходимо менять и угол установки лопастей. Направление полета задается изменением шага рулевого винта: чем он меньше, тем меньше компенсируется реактивный момент, и вертолет поворачивает в сторону, противоположную вращению несущего винта. И наоборот.
В современных вертолетах в большинстве случаев управление полетом по горизонтали осуществляется при помощи автомата перекоса. Например, для движения вперед летчик при помощи автомата уменьшает угол установки лопастей для передней половины плоскости вращения крыла и увеличивает - для задней. Таким образом сзади подъемная сила увеличивается, а спереди - уменьшается, благодаря чему изменяется наклон винта и появляется движущая сила. Такая схема управления полетом применяется на всех вертолетах почти всех типов, если на них установлен автомат перекоса.
Соосная схема
Второй по распространенности вертолетной схемой является соосная. В ней рулевой винт отсутствует, зато есть два несущих винта - верхний и нижний. Они располагаются на одной оси и вращаются синхронно в противоположных направлениях. Благодаря такому решению винты компенсируют реактивный момент, а сама машина получается несколько более устойчивой по сравнению с классической схемой. Кроме того, у вертолетов соосной схемы практически отсутствуют перекрестные связи в каналах управления.
Наиболее известным производителем вертолетов соосной схемы является российская компания «Камов». Она выпускает корабельные многоцелевые вертолеты Ка-27, ударные Ка-52 и транспортные Ка-226. Все они имеют по два винта, расположенных на одной оси друг под другом. Машины соосной схемы, в отличие от вертолетов классической схемы, способны, например, делать воронку, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее. При этом носовая часть всегда остается развернутой в сторону цели. Управление рысканием осуществляется подтормаживанием одного из несущих винтов.
В целом управлять вертолетами соосной схемы несколько проще, чем обычными, особенно в режиме висения. Но существуют и свои особенности. Например, при выполнении петли в полете может случиться перехлест лопастей нижнего и верхнего несущего винтов. Кроме того, в проектировании и производстве соосная схема более сложна и дорога, чем классическая схема. В частности из-за редуктора, передающего вращение вала двигателя на винты, а также автомата перекоса, синхронно устанавливающего угол лопастей на винтах.
Продольная и поперечная схемы
Третьей по популярности является продольная схема расположения несущих винтов вертолета. В этом случае винты располагаются параллельно земле на разных осях и разнесены друг от друга - один находится над носовой частью вертолета, а другой - над хвостовой. Типичным представителем машин такой схемы является американский тяжелый транспортный вертолет CH-47G Chinook и его модификации. Если винты располагаются на законцовках крыльев вертолета, то такая схема называется поперечной.
Серийных представителей вертолетов поперечной схемы сегодня не существует. В 1960-1970-х годах конструкторское бюро Миля разрабатывало тяжелый грузовой вертолет В-12 (также известен, как Ми-12, хотя этот индекс неверен) поперечной схемы. В августе 1969 года прототип В-12 установил рекорд грузоподъемности среди вертолетов, подняв на высоту 2,2 тысячи метров груз массой 44,2 тонны. Для сравнения самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26 (классическая схема) может поднимать грузы массой до 20 тонн, а американский CH-47F (продольная схема) - массой до 12,7 тонны.
У вертолетов продольной схемы несущие винты вращаются в противоположных направлениях, однако это компенсирует реактивные моменты лишь отчасти, из-за чего в полете летчикам приходится учитывать возникающую боковую силу, уводящую машину с курса. Движение в стороны задается не только наклоном оси вращения несущих винтов, но и разными углами установки лопастей, а управление рысканием производится за счет изменения частоты вращения роторов. Задний винт у вертолетов продольной схемы всегда располагается чуть выше переднего. Это сделано для исключения взаимного влияния от их воздушных потоков.
Кроме того, на определенных скоростях полета вертолетов продольной схемы иногда могут возникать значительные вибрации. Наконец, вертолеты продольной схемы оснащаются сложной трансмиссией. По этой причине такая схема расположения винтов распространена мало. Зато вертолеты продольной схемы меньше других машин подвержены возникновению вихревого кольца. В этом случае во время снижения воздушные потоки, создаваемые винтом, отражаются от земли вверх, затягиваются винтом и снова направляются вниз. При этом подъемная сила несущего винта резко снижается, а изменение частоты вращения ротора или увеличение угла установки лопастей эффекта практически не оказывает.
Синхроптер
Сегодня вертолеты, построенные по схеме синхроптера, можно отнести к самым редким и наиболее интересными с конструктивной точки зрения машинами. Их производством до 2003 года занималась только американская компания Kaman Aerospace. В 2017 году компания планирует возобновить выпуск таких машин под обозначением K-Max. Синхроптеры можно было бы отнести к вертолетам поперечной схемы, поскольку валы двух их винтов расположены по бокам корпуса. Однако оси вращения этих винтов расположены под углом другу к другу, а плоскости вращения - пересекаются.
У синхроптеров, как у вертолетов соосной, продольной и поперечной схем, рулевой винт отсутствует. Несущие же винты вращаются синхронно в противоположные стороны, а их валы связаны друг с другом жесткой механической системой. Это гарантированно предотвращает столкновение лопастей при разных режимах и скоростях полета. Впервые синхроптеры были изобретены немцами во время второй мировой войны, однако серийное производство велось уже в США с 1945 года компанией Kaman.
Направлением полета синхроптера управляют исключительно изменением угла установки лопастей винтов. При этом из-за перекрещивания плоскостей вращения винтов, а значит сложения подъемных сил в местах перекрещивания, возникает момент кабрирования, то есть подъема носовой части. Этот момент компенсируется системой управления. В целом же, считается, что синхроптером проще управлять в режиме висения и на скоростях больше 60 километров в час.
К достоинствам таких вертолетов относится экономия топлива за счет отказа от рулевого винта и возможность более компактного размещения агрегатов. Кроме того, синхроптерам характерна большая часть положительных качеств вертолетов соосной схемы. К недостаткам же относится необычайная сложность механической жесткой связи валов винтов и системы управления автоматами перекоса. В целом это делает вертолет дороже, по сравнению с классической схемой.
Мультикоптер
Разработка мультикоптеров началась практически одновременно с работами над вертолетом. Именно по этой причине первым вертолетом, совершившим управляемый взлет и посадку стал в 1922 году квадрокоптер Ботезата. К мультикоптерам относят машины, как правило имеющие четное количество несущих винтов, причем их должно быть больше двух. В серийных вертолетах сегодня схема мультикоптеров не используется, однако она чрезвычайно популярна у производителей малой беспилотной техники.
Дело в том, что в мультикоптерах используются винты с неизменяемым шагом винта, причем каждый из них приводится в движение своим двигателем. Компенсация реактивного момента производится вращением винтов в разные стороны - половина крутится по часовой стрелке, а другая половина, расположенная по диагонали, - в противоположном направлении. Это позволяет отказаться от автомата перекоса и в целом значительно упростить управление аппаратом.
Для взлета мультикоптера частота вращения всех винтов увеличивается одинаково, для полета в сторону - вращение винтов на одной половине аппарата ускоряется, а на другой - замедляется. Поворот мультикоптера производится замедлением вращения, например, винтов, крутящихся по часовой стрелке или наоборот. Такая простота конструкции и управления и послужила основным толчком к созданию квадрокоптера Ботезата, однако последующее изобретение рулевого винта и автомата перекоса практически затормозило работы над мультикоптерами.
Причиной же, по которой сегодня не существует мультикоптеров, предназначенных для перевозки людей, является безопасность полетов. Дело в том, что в отличие от всех остальных вертолетов, машины с несколькими винтами не могут совершать аварийную посадку в режиме авторотации. При отказе всех двигателей мультикоптер становится неуправляемым. Впрочем, вероятность такого события невысока, однако отсутствие режима авторотации является главным препятствием для прохождении сертификации на безопасность полетов.
Впрочем, в настоящее время немецкая компания e-volo занимается разработкой мультикоптера с 18 роторами. Этот вертолет предназначен для перевозки двух пассажиров. Как ожидается, он совершит первый полет в ближайшие несколько месяцев. По расчетам конструкторов, прототип машины сможет находиться в воздухе не больше получаса, однако этот показатель планируется довести по меньшей мере до 60 минут.
Следует также отметить, что помимо вертолетов с четным количеством винтов существуют и мультикоптерные схемы с тремя и пятью винтами. У них один из двигателей расположен на отклоняемой в стороны платформе. Благодаря этому осуществляется управление направлением полета. Впрочем, в такой схеме становится сложнее гасить реактивный момент, поскольку два винта из трех или три из пяти всегда вращаются в одном направлении. Для нивелирования реактивного момента некоторые из винтов вращаются быстрее, а это создает ненужную боковую силу.
Скоростная схема
Сегодня наиболее перспективной в вертолетной технике считается скоростная схема, позволяющая вертолетам летать на существенно большей скорости, чем могут современные машины. Чаще всего такую схему называют комбинированным вертолетом. Машины этого типа строятся по соосной схеме или с одним винтом, однако имеют небольшое крыло, создающее дополнительную подъемную силу. Кроме того, вертолеты могут быть оснащены толкающим винтом в хвостовой части или двумя тянущими на законцовках крыла.
Ударные вертолеты классической схемы AH-64E способны развивать скорость до 293 километров в час, а соосные Ка-52 - до 315 километров в час. Для сравнения, комбинированный вертолет - демонстратор технологий Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час, а его американский конкурент с толкающим винтом - Sikorksy X2 - до 460 километров в час. Перспективный разведывательный скоростной вертолет S-97 Raider сможет летать на скоростях до 440 километров в час.
Строго говоря, комбинированные вертолеты относятся скорее не к вертолетам, а к другому типу винтокрылых летательных аппаратов - винтокрылам. Дело в том, что движущая сила у таких машин создается не только и не столько несущими винтами, сколько толкающими или тянущими. Кроме того, за создание подъемной силы отвечают и несущие винты, и крыло. А на больших скоростях полета управляемая обгонная муфта отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации, при которой несущие винты работают, фактически, как крыло самолета.
В настоящее время разработкой скоростных вертолетов, которые в перспективе смогут развивать скорость свыше 600 километров в час, занимаются несколько стран мира. Помимо Sikorsky и Airbus Helicopters такие работы ведут российские «Камов» и конструкторское бюро Миля (Ка-90/92 и Ми-X1 соответственно), а также американская Piacesky Aircraft. Новые комбинированные вертолеты смогут совместить в себе скорость полета турбовинтовых самолетов и вертикальные взлет и посадку, присущие обычным вертолетам.
Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com
Вертолеты летают, потому что у них крутятся длинные лопасти несущего винта, чьи поперечные сечения по форме похожи на сечение самолетных крыльев. Подъемная сила вертолетных лопастей может меняться, если изменять угол наклона всех лопастей одновременно.
А различные повороты машины выполняются при помощи изменения наклона отдельно каждой лопасти при ее вращении. Если надо лететь вперед или назад, поворачивать налево или направо, вращающийся несущий винт поворачивают в направлении желаемого маневра.
В хвостовой части вертолета установлен еще один, небольшой вспомогательный несущий винт. Он нужен для того, чтобы, вращаясь, уравновешивать такое действие главного винта, которое могло бы привести к закручиванию всего вертолета вокруг его вертикальной оси. Другими словами, вспомогательный винт позволяет машине стабильно держаться в воздухе. Кроме всего прочего, вертолеты могут неподвижно зависать в воздухе. Для<» этого требуется, чтобы вес машины оказался равен подъемной силе, создаваемой несущим винтом.
Главный несущий винт
В поперечном сечении лопасть главного несущего винта похожа на крыло самолета. Воздушный поток, обтекая верхнюю и нижнюю поверхность лопасти, создает над ней пониженное давление и рождает подъемную силу.
Вспомогательный несущий винт
Сила, возникающая при вращении главного винта, стала бы раскручивать весь вертолет, если бы не было стабилизирующего эффекта от работы вспомогательного винта, расположенного на хвосте.
Втулка главного несущего винта
Чтобы вертолет был стабилен в полете, пилот устанавливает нужный угол лопастей главного винта. Для этого служит устройство, известное как кольцо автомата перекоса. Оно укреплено на валу несущего винта. Вертолет может лететь, кружить или неподвижно парить в воздухе в соответствии с тем, как пилот установит это кольцо. Ниже на рисунке показаны перемещения кольца вверх и вниз, которые приводят к изменению наклона лопасти винта. Кроме того, кольцо автомата перекоса можно наклонять, чтобы изменить угол наклона винтового диска.
Пилотирование вертолета
1. Чтобы лететь вперед, пилот толкает рычаг управления от себя. При этом винтовой диск наклоняется к носу.
2. Чтобы набирать высоту, пилот увеличивает общий тангаж всех лопастей, пока подъемная сила не превзойдет силу тяжести.
3. Чтобы висеть неподвижно, пилот удерживает такой угол наклона винта, чтобы подъемная сила и сила тяжести были равны.
4. Чтобы дать задний ход, пилот наклоняет винтовой диск по направлению к хвосту.
5. Чтобы повернуть, пилот поворачивает винтовой диск влево или вправо.
6. Чтобы изменить курс, пилот устанавливает нижний угол наклона лопастей вспомогательного винта.
Для того чтобы самолет или планер летал, нужна подъемная сила, а эта сила создается крылом. Поэтому главным в самолете является крыло, ибо в конечном счете Весь самолет может быть сведен в летающее крыло, без фюзеляжа, без оперения.
У вертолета роль крыла играет несущий винт. Даже если в летательном аппарате ничего больше нет, кроме несущего винта, мы можем принципиально назвать его «вертолетом».
Наверное, многие в детстве делали себе такой «вертолет», состоящий только ив одного винта, вырезанного из куска жести. Стартовым устройством для него служила обыкновенная катушка от ниток, вращающаяся на стержне.
Однако роль несущего винта вертолета гораздо более многогранна, чем роль крыла самолета.
Созданием подъемной силы еще не ограничивается назначение несущего винта.
Когда вы посмотрите на вертолет в горизонтальном полете, вы неизбежно обратите внимание на то, что фюзеляж носом наклонен к горизонту. При этом наклоненным вперед оказывается и несущий винт.
Полная аэродинамическая сила R, развиваемая несущим винтом и направленная перпендикулярно к плоскости вращения концов лопастей, в этом случае может быть разложена на две составляющие: направленную вертикально подъемную силу, которая поддерживает вертолет на заданной высоте, и силу, направленную по касательной к траектории полета, Р, которая на вертолете является силой тяги. За счет этой силы вертолет летит вперед. Таким образом, несущий винт в поступательном полете одновременно является и тянущим винтом.
Однако и этим не ограничивается роль несущего винта. У вертолета в отличие от самолета нет рулевых поверхностей, таких, как элероны, триммеры, рули направления и высоты. Да они и не имели бы смысла, так как во время полета не обдувались бы потоком воздуха и в силу этого не могли бы служить целям управления.
Ведь мы знаем, что для изменения положения тела, к нему нужно приложить внешнюю силу. В полете вертолет окружен воздухом, поэтому внешняя сила может быть только результатом взаимодействия каких-либо частей вертолета с воздушной средой. Для того чтобы возникла сила сопротивления воздуха, тело должно перемещаться с большей скоростью. Когда вертолет висит в воздухе, то этому условию не отвечает ни одна его часть, кроме винта. Поэтому роль органа управления вертолетом также возложена на несущий винт. Действуя ручкой управления, летчик с помощью особых устройств, о которых будет рассказано в следующих главах, добивается такого положения, которое равносильно изменению плоскости вращения несущего винта. При этом изменяет свое направление и полная аэродинамическая сила воздушного винта и обе ее составляющие. И если подъемная сила всегда направлена вертикально вверх, то вторая составляющая - по касательной к траектории полета.
В зависимости от угла наклона полной аэродинамической силы меняется не только направление, но и величины ее составляющих. Следовательно, управляя несущим винтом, летчик может изменять не только направление полета, но и скорость полета.
Для подъема или спуска вертолета летчик также воздействует на лопасти несущего винта, уменьшая или увеличивая одновременно и на одинаковую величину угол установки всех лопастей.
Если на вертолете отказывает двигатель, то, уменьшая углы атаки лопастей, летчик ставит несущий винт в положение самовращения (авторотации). Поддерживаемый подъемной силой, создаваемой винтом на этом режиме работы, вертолет совершает безопасный планирующий спуск.
Из сказанного выше ясно, что для понимания устройства и полета вертолета надо разобраться прежде всего в работе несущего винта; для того чтобы вертолет успешно мог летать, конструктор должен обеспечить надежность прежде всего несущего винта.
Летчики, инженеры, техники и механики, летающие на вертолетах и обслуживающие их, прежде всего должны следить за безукоризненным состоянием несущего винта.
Итак, несущий винт - вот что главное в вертолете
Режимов работы несущего винта вертолета чрезвычайно много. Каждому режиму полета вертолета соответствует свой режим работы несущего винта. Основными для вертолета являются: пропеллерный режим, режим косой обдувки, режим самовращения (авгоротация) и режим вихревого -сольца.
Пропеллерный режим возникает при вертикальном подъеме или висении вертолета.
Режим косой обдувки возникает при поступательном полете вертолета.
Режим самовращения возникает при отключении двигателя вертолета от несущего винта в полете, при этом винт вращается под действием потока воздуха.
Режим вихревого кольца возникает при снижении вертолета. При таком режиме поток воздуха, проходя сквозь ометаемую винтом поверхность сверху вниз, вновь подходит к винту сверху.
Однако в некоторых частных случаях, например, в пропеллерном режиме, его работа схожа с работой самолетного винта. Когда самолет находится на земле или летит горизонтально, его винт обдувается со стороны плоскости вращения (по оси). Когда вертолет находится на земле, висит в воздухе или поднимается вертикально вверх, его несущий винт также обдувается со стороны плоскости вращения (по оси). Различие при этом состоит только В ТОМ, что у самолета струи воздуха проходят через плоскость вращения винта в горизонтальном направлении, спереди назад, тогда как у вертолета - в вертикальном направлении, сверху вниз. При этом несущий винт захватывает воздух из зоны А сверху и отбрасывает его, закручивая, вниз, в зону. На место частиц воздуха, забранных из зоны А, поступают частицы воздуха из окружающей среды и частично из зоны Б, но уже вне плоскости вращения винта.
До того, как несущий винт был приведен во вращение, воздух над винтом н под ним находился в состоянии покоя С началом вращения винта приборы, внесенные с область действия винта, но находящуюся вдали от него, покажут наблюдателю, что в сечении 0-0 воздух по-прежнему находится в состоянии относительного покоя. Его давление равно атмосферному, а скорость. Расстояние от сечения 0-0, где еще не наблюдается влияния винта, до плоскости вращения винта есть величина переменная, которая зависит от вязкости среды и точности применяемых нами приборов. Чем точнее прибор, тем он дальше от винта зарегистрирует наличие скорости воздуха, частички которого будут устремлены к винту.
Если бы воздух был лишен сил вязкости, то действие винта сказалось бы бесконечно далеко.
Фактически ввиду того, что воздух представляет собой вязкую среду, влияние винта перестает ощущаться уже на расстоянии десятков метров.
Перенося наши приборы из сечения 0-0 все ближе к сечению, мы заметим постепенный прирост скорости воздуха, подсасываемого винтом. Та скорость, которую воздух имеет, подходя к сечению, называется индуктивной скоростью подсасывания. На основании закона сохранения энергии кинетическая энергия (энергия скорости движения) не может увеличиться без того, чтобы не уменьшался другой какой-либо вид энергии. И действительно, наряду с ростом скорости воздуха до ш, мы замечаем, что давление воздуха р0 при этом падает. Это значит, что увеличение скорости воздуха произошло за счет уменьшения давления. За винтом сечение потока сжимается и происходит еще большее увеличение скорости воздуха. Казалось бы, должно было последовать дальнейшее падение давления. Однако сразу за винтом давление растет до р-2. Не противоречит ли это закону сохранения энергии? Да, противоречит, если мы не примем во внимание того обстоятельства, что воздух извне (от винта) получил добавочную энергию (механическую). Механическая энергия винта, преобразуюсь в кинетическую и потенциальную энергию потока, увеличивает и скорость и давление воздуха одновременно.
В сечении сразу за винтом прибор нам показывает, что воздух по сравнению с сечением имеет скорость и», называемую скоростью отбрасывания. Причем скорость отбрасывания оказывается вдвое больше скорости подсасывания.
Далеко за винтом, в сечении (теоретически на бесконечном удалении), скорость и давление воздуха восстанавливаются до первоначальных значений. Энергия потока при этом из-за наличия сил вязкости рассеивается в пространстве.
Таково действие винта на воздух, которое является следствием приложения к винту энергии вращения. Этому действию соответствует ответное действие воздуха на винт, которое проявляется в виде силы тяги, являющейся проекцией полной аэродинамической силы R на ось, проходящую через втулку винта перпендикулярно плоскости его вращения. Если динамометр, соединенный с винтом, при остановленном винте показывал нулевое значение тяги, то по мере роста оборотов тяга будет все больше и больше возрастать. На режиме висения и вертикального подъема на всех других режимах полета
Величину тяги, создаваемой винтом, можно не только замерить, но и подсчитать.
Вертолетом называется летательный аппарат тяжелее воздуха , подъемная сила которого создается одним или несколькими несущими винтами, приводимыми во вращение одной или несколькими силовыми установками (двигателями).
Наиболее распространенный тип вертолета с одним винтом и поршневым двигателем состоит из следующих основных частей: несущего винта, фюзеляжа, рулевого винта и шасси.
Несущий винт 1 служит для создания подъемной силы и тяги. При вращении несущего винта летчик с помощью ручки управления вертолетом 16 через автомат-перекос может изменять направление полной аэродинамической силы несущего винта R, перпендикулярной плоскости вращения концов лопастей, и тем самым создавать составляющую Р этой силы, направленную по касательной к траектории полета. Она аналогична силе тяги воздушного винта поршневого самолета или силе реакции газовой струи реактивного самолета и может меняться по величине в зависимости от угла наклона несущего винта, а следовательно, полной аэродинамической силы R.
Изменение величины аэродинамической силы несущего пиита осуществляется рычагом общего шага 17, с помощью которого производится перемещение вертолета в вертикальной плоскости (спуск и подъем).
В фюзеляже 2 вертолета расположены кабина для экипажа и пассажиров, поршневой двигатель 3 с системой передачи (трансмиссией) к главному редуктору 7 и баки с горючим н маслом.
В кабине экипажа сосредоточено все управление вертолетом и двигателем, в том числе: ручка управления вертолетом, рычаг общего шага несущего винта, ножное управление (педали), управление триммерами, системы управления двигателем, приборы и агрегаты, размещенные как на приборной доске, так и в других местах кабины, и другое оборудование вертолета.
Рычаг общего шага связан с дроссельной заслонкой двигателя. Это необходимо для того, чтобы при изменении шага несущего винта, т. е. при изменении нагрузки на двигатель, изменять газ так, чтобы обороты двигателя были постоянными. Поэтому рычаг общего шага несущего винта называют рычагом «шаггаз».
Трансмиссия на вертолете состоит из редуктора двигателя с муфтой включения и приводами на вентилятор и главный вал.
Главный редуктор вертолета через автомат-перекос и втулку связан с лопастями несущего винта, а через вал, расположенный в хвостовой балке, промежуточный редуктор и концевой вал, расположенный в концевой балке, связан с хвостовым редуктором 15 и рулевым винтом.
Рулевой винт служит для погашения реактивного момента, передаваемого от несущего винта на фюзеляж, а также для поворота вертолета вокруг вертикальной оси. Втулка рулевого винта механически связана с педалями ножного управления 18. Перемещая педали, летчик меняет общий шаг рулевого винта и изменяет тем самым величину развиваемой им тяги TV.
В полете требуется координированное действие всем;1 тремя органами управления в кабине - ручкой управления, рычагом «шаг-газ» и педалями.
Шасси. Вертолет имеет неубирающиеся шасси с передним колесом.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ И ИННОВАЦИЙ АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В.В. Дудник
КОНСТРУКЦИЯ ВЕРТОЛЕТОВ
Ростов-на-Дону
УДК 629.7 (075)
Д 81
Д 81 Дудник В.В. Конструкция вертолетов. – Ростов н/Д: Издательский дом ИУИ АП, 2005. – 158 с.
ISBN 5-94596-015-2
В учебном пособии излагаются: состав, назначение, устройство и процесс конструирования основных агрегатов и систем; конструктивно-силовые и кинематические схемы агрегатов, конструкций деталей и узлов агрегатов.
Для слушателей программы профессиональной переподготовки по направлению «Вертолетостроение», а также для специалистов-практиков.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Института управления и инноваций
авиационной промышленности
Научный редактор:
доктор технических наук, профессор И.В.Богуславский
ISBN 5-94596-015-2
© Дудник В.В., 2005 г. © Издательский дом ИУИ АП, 2005 г.
ВВЕДЕНИЕ
В наши дни трудно представить себе человечество без летательных аппаратов. Достойное место в ряду воздушных судов занимают вертолеты – летательные аппараты тяжелее воздуха, использующие несущий винт для перемещения в воздушной среде. Так как вертолетостроение сравнительно молодая сфера деятельности в ней идет активное изменение конструкции и технологии изготовления агрегатов. За последние годы стали применяться такие нововведения как сверхкритические трансмиссионные валы, активные гасители шума и вибрации, многозамкнутые лонжероны лопастей, монококовые фюзеляжи, гребни хвостовой балки и ряд других. К сожалению, Россия по ряду причин отстала в применении некоторых инноваций. В соответствии с этим необходимо стремиться к тому, чтобы максимально использовать опыт, накопленный в мировом вертолетостроении.
В данном учебном пособии предпринята попытка восполнить пробелы в освещении современных технологий, поэтому им уделено несколько больше внимания.
Главы 5 и 8 написаны совместно с Олейником Николаем Ивановичем.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕРТОЛЕТАХ
1.1. Классификация вертолетов
В настоящее время в мире производится несколько десятков типов вертолетов. Они имеют различное назначение, размеры и характеристики, однако основным критерием классификации вертолета принято считать его взлетную массу. Существует несколько мнений о весовой классификации. Зачастую она устанавливается законодательными актами того или иного государства. Так в российской гражданской авиации вертолеты разделены в зависимости от максимальной взлетной массы на четыре класса.
1 класс – 10т и более,
2 класс – от 5 до 10т,
3 класс - от 2 до 5т,
4 класс – до 2т.
На практике вертолеты чаще делят на сверхлегкие, легкие, средние, тяжелые. Здесь предлагается один из вариантов деления.
До 700кг – сверхлёгкие; 700-5000кг – лёгкие; 5000-15000кг – средние;
свыше 15000кг – тяжёлые.
Самым тяжелым вертолетом в мире был советский вертолет Ми-12 (105т), а среди серийных машин – Ми-26 (56т).
Несколько особняком в этом ряду стоят беспилотные вертолеты, использующиеся для разведки, мониторинга окружающей среды и сельхозобработки, взлетная масса которых колеблется от 80 до 1000кг.
Кроме того, вертолеты классифицируются по назначению как:
пассажирские; боевые; транспортные; сельскохозяйственные;
поисково-спасательные и другие.
Наличие на борту двигателей позволяет классифицировать воздушные суда по числу двигателей – одно, двух и трехдвигательные, и по типу – поршневые и газотурбинные.
Еще одной важной характеристикой является схема вертолета. Схему вертолета определяет способ уравновешивания реактивного момента несущего винта. В настоящее время применяют одно и двухвинтовую схему. Разрабатывавшиеся в Советском Союзе и США трех и даже четырехвинтовые схемы не нашли широкого применения.
Одновинтовая схема – предполагает наличие одного несущего винта и устройства, компенсирующего реактивный момент несущего винта. В качестве устройства компенсирующего реактивный момент обычно используется рулевой винт, но в некоторых случаях применяют и другие механизмы (рисунок 1а, б).
Двухвинтовая схема предполагает наличие двух несущих винтов, имеющих разнонаправленное вращение. Реактивные моменты таких винтов взаимно компенсируются. В свою очередь двухвинтовые вертолеты по расположению несущих винтов могут иметь:
∙ соосную схему – несущие винты противоположного вращения располагаются один над другим (рисунок 1в);
∙ продольную схему – синхронизированные между собой винты размещаются один впереди другого с наличием небольшой зоны перекрытия (рисунок 1г);
∙ поперечную схему – винты располагаются справа и слева от фюзеляжа (рисунок 1д);
∙ схему с пересекающимися винтами – две оси вращения наклонены под углом друг к другу (рисунок 1е).
В настоящее время в России преобладают вертолеты фирмы Камова и Миля. Первые вертолеты собственной разработки появились у Казанского вертолетного завода. Попытки разработки вертолетов легкого класса делаются на Украине. Основными европейскими производителями вертолетов являются консорциумы – Еврокоптер, состоящий из французской корпорации Еврокоптер Франц и немецкой Еврокоптер Дойчланд и АгустаВестланд, состоящий из итальянской ком-
пании Агуста и английской Вестланд. Корпорации Боинг, Сикорский и Белл являются наиболее крупными в США. Большую активность в этом секторе рынка последние годы проявляют компании Польши и ЮАР. В классе сверхлегких вертолетов успешно работают фирмы таких стран, как США, Бельгия, Италия, Канада. Японские фирмы Ямаха и Фуджи активно продвигают беспилотные сельскохозяйственные вертолеты.
Кроме того, следует отметить, что на североамериканском континенте большой популярностью пользуются другие винтокрылые летательные аппараты – одно-двухместные автожиры. Их производством занимается сразу несколько фирм.
Абсолютное большинство производителей вертолетов в мире использует одновинтовую схему. Летательные аппараты построенные по таким принципам создает фирма Миля. Соосную применяют на вертолетах фирмы Камова и на некоторых зарубежных беспилотных аппаратах. Поперечная схема применяется в настоящее время только на конвертопланах фирмы Белл, разработанных самостоятельно и в кооперации с фирмой Агуста. Продольную схему используют транспортные вертолеты фирмы Боинг. Схема с перекрещивающимися винтами является весьма сложной и применяется только фирмой Каман (США).
1.2. Создание вертолетов
Процесс создания нового вертолета или модификации существующего достаточно сложен и состоит из нескольких этапов (рисунок 2). Для принятия решения о начале проектирования вертолета или модификации должна накопится «критическая» масса требований. Эти требования вырабатывают различные службы:
∙ инженерные – на основе анализа разработок других фирм и собственных исследовательских работ, подготовленных к внедрению;
∙ маркетинга – на основе анализа текущих и перспективных потребностей рынка;
∙ эксплуатации – на основе анализа замечаний и предложений эксплуатирующих организаций;
∙ стилиста (дизайнера) – на основе анализа современных тенденций дизайна, с целью создания привлекательного облика вертолета.
Рисунок 1. Различные схемы расположения несущих винтов.
а – одновинтовая схема с рулевым винтом (вертолет Ми-28, Россия), б – одновинтовая схема с системой NOTAR (MD500, США), в – соосная (Ка-50, Россия), г – продольная (CH-47, США), д – поперечная (BA609, США-Италия), е - схема с пересекающимися винтами (K-MAX, США).
Требования зачастую находятся в противоречии друг с другом, поэтому после анализа их важности, срочности и стоимости вырабатывается компромиссный вариант, максимально отвечающий всем службам. На его основании осуществляется предварительное проектирование, в ходе которого выполняются аэродинамические и другие расчеты, определяется общая геометрия, состав оборудования, принимаются решения по наиболее важным техническим решениям, вырабатывается компоновка летательного аппарата. После выполнения предварительного производится рабочее проектирование. На этом этапе разрабатываются трехмерные модели деталей, узлов и агрегатов, выполняется их расчет на прочность, на основании которого принимается решение об облегчении или упрочнении элементов конструкции. На основании окончательной трехмерной модели составляется рабочая документация. Учитывая высокую степень компьютеризации авиационного производства, иногда производители используют упрощенную систему документации, в которой, например, чертеж детали показывает общий вид, но не имеет размерных данных. Потребители же такого чертежа всегда могут получить необходимую информацию с разработанной компьютерной модели расположенной в корпоративной сети. Результаты проектирования передаются в производство, где сперва происходит изготовление макетного образца, а затем и реального вертолета. Если модификация летательного аппарата не предполагает значительных изменений этап изготовления макетного образца может отсутствовать.
Летные и статические испытания подтверждают правильность расчетов. Следует отметить, что каждый этап, следующий после проектирования, приводит к частичному изменению конструкции вследствие устранения выявляемых недостатков. Результатом всей этой работы становится сертификат, разрешающий эксплуатацию летательного аппарата в той или иной стране мира. Для того, чтобы получить сертификат, воздушное судно должно соответствовать нормам летной годности, действующим на данной территории. Как правило, отдельно существуют нормы для гражданских и
военных вертолетов. Эти документы регламентируют показатели, которым должен удовлетворять весь аппарат или отдельные его агрегаты. Например, указывается какую величину ветра должен выдержать вертолет на том или ином режи-
Рисунок 2. Упрощенная схема процесса создания вертолета.
ме полета или какую шумность он не может превышать в зависимости от взлетного веса. Значительную часть норм составляют нормы прочности. Они рассматривают различные варианты нагружения аппарата в полете, на взлете и посадке, при стоянке и перемещении по аэродрому. Соответственно все случаи делятся на летные, посадочные и земные.
