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.
Вертолет - это винтокрылая машина, в которой подъемную силу и силу тяги создает винт. Несущий винт служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе. При вращении в горизонтальной плоскости несущий винт создает тягу(Т) направленную вверх, выполняет роль подъёмной силы(Y). Когда тяга несущего винта будет больше веса вертолета(G), вертолет без разбега оторвется от земли и начнет вертикальный набор высоты. При равенстве веса вертолета и тяги несущего винта вертолет будет неподвижно висеть в воздухе. Для вертикального снижения достаточно тягу несущего винта сделать несколько меньше веса вертолета. Поступательное движение вертолета(P) обеспечивается наклоном плоскости вращения несущего винта при помощи системы управления винтом. Наклон плоскости вращения винта вызывает соответствующий наклон полной аэродинамической силы, при этом ее вертикальная составляющая будет удерживать вертолет в воздухе, а горизонтальная — вызывать поступательное перемещение вертолета в соответствующем направлении.
Рис 1. Схема распределения сил
Конструкция вертолета
Фюзеляж является основной частью конструкции вертолета, служащей для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудования. Он имеет хвостовую и концевую балки для размещения хвостового винта вне зоны вращения несущего винта,и крыла (на некоторых вертолетах крыло устанавливается с целью увеличения максимальной скорости полета за счет частичной разгрузки несущего винта (МИ-24)).Силовая установка(двигатели) является источником механической энергии для приведения во вращение несущего и рулевого винтов. Она включает в себя двигатели и системы, обеспечивающие их работу (топливную, масляную, систему охлаждения, систему запуска двигателей и др.). Несущий винт(НВ) служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе, и состоит из лопастей и втулки несущего винта. Рулевой винт служит для уравновешивания реактивного момента, возникающего при вращении несущего винта, и для путевого управления вертолетом. Сила тяги рулевого винта создает момент относительно центра тяжести вертолета, уравновешивающий реактивный момент несущего винта. Для разворота вертолёта достаточно изменить величину тяги рулевого винта. Рулевой винт так же состоит из лопастей и втулки. Управление несущим винтом производится при помощи специального устройства, называемого автоматом перекоса. Управление рулевым винтом производится от педалей. Взлетно-посадочные устройства служат опорой вертолета при стоянке и обеспечивают перемещение вертолета по земле, взлет и посадку. Для смягчения толчков и ударов они снабжены амортизаторами. Взлетно-посадочные устройства могут выполняться в виде колесного шасси, поплавков и лыж
Рис.2 Основные части вертолета:
1 — фюзеляж; 2 — авиадвигатели; 3 — несущий винт (несущая система); 4 — трансмиссия; 5 — хвостовой винт; 6 — концевая балка; 7 — стабилизатор; 8 — хвостовая балка; 9 — шасси
Принцип создания подъемной силы винтом и система управления винтом
При вертикальном полете п олная аэродинамическая сила несущего винта выразится как произведение массы воздуха, протекающего через поверхность, сметаемую несущим винтом за одну секунду, на скорость уходящей струи:
где πD 2 /4 - площадь поверхности, ометаемой несущим винтом; V— скорость полета в м/сек; ρ — плотность воздуха; u — скорость уходящей струи в м/сек.
По сути сила тяги винта равна силе реакции при ускорении воздушного потока
Для того чтобы вертолет двигался поступательно, нужен перекос плоскости вращения винта, причем изменение плоскости вращения достигается не наклоном втулки несущего винта (хотя визуальный эффект может быть именно такой), а изменением положения лопасти в разных частях квандрантов описываемой окружности.
Лопасти несущего винта, описывая полный круг вокруг оси при его вращении, обтекаются встречным потоком воздуха по-разному. Полный круг - это360º . Тогда примем заднее положение лопасти за0º и далее через каждые90º полный оборот. Так вот лопасть в интервале от0º до180º - это лопастьнаступающая , а от180º до 360º -отступающая . Принцип такого названия, я думаю, понятен. Наступающая лопасть движется навстречу набегающему потоку воздуха, и суммарная скорость ее движения относительно этого потока возрастает потому что сам поток, в свою очередь, движется ей навстречу. Ведь вертолет летит вперед. Соответственно растет и подъемная сила.
Рис.3 Изменение скоростей набегающего потока при вращении винта для вертолета МИ-1 (средние скорости полета).
У отступающей лопасти картина противоположная. От скорости набегающего потока отнимается скорость, с которой эта лопасть как бы от него «убегает». В итоге имеем подъемную силу меньше. Получается серьезная разница сил на правой и левой стороне винта и отсюда явныйпереворачивающий момент . При таком положении вещей вертолет при попытке движения вперед будет иметь тенденцию к переворачиванию. Такие вещи имели место при первом опыте создания винтокрылых аппаратов.
Чтобы этого не происходило, конструктора применили одну хитрость. Дело в том, что лопасти несущего винта закреплены вовтулке (это такой массивный узел, насаженный на выходной вал), но не жестко. Они с ней соединены с помощью специальных шарниров (или устройств, им подобных). Шарниры бывают трех видов:горизонтальные, вертикальные и осевые.
Теперь посмотрим что же будет происходить с лопастью, которая подвешена к оси вращения на шарнирах. Итак, наша лопасть вращается с постоянной скоростью без каких-либо управляющих воздействий извне .
Рис. 4 Силы, действующие на лопасть, подвешенную ко втулке винта на шарнирах.
От0º до90º скорость обтекания лопасти растет, значит растет и подъемная сила. Но! Теперь лопасть подвешена на горизонтальном шарнире. В результате избыточной подъемной силы она, поворачиваясь в горизонтальном шарнире, начинает подниматься вверх (специалисты говорят «делаетвзмах »). Одновременно из-за увеличения лобового сопротивления (ведь скорость обтекания возросла) лопасть отклоняется назад, отставая от вращения оси винта. Для этого как раз и служит вертикальный шар-нир.
Однако при взмахе получается, что воздух относительно лопасти приобретает еще и некоторое движение вниз и, таким образом, угол атаки относительно набегающего потока уменьшается. То есть рост избыточной подъемной силы замедляется. На это замедление оказывает свое дополнительно влияние отсутствие управляющего воздействия. Это значит, что тяга автомата перекоса, присоединенная к лопасти, сохраняет свое положение неизменным, и лопасть, взмахивая, вынуждена поворачиваться в своем осевом шарнире, удерживаемая тягой и, тем самым, уменьшая свой установочный угол или угол атаки по отношению к набегающему потоку. (Картина происходящего на рисунке. ЗдесьУ - это подъемная сила,Х - сила сопротивления,Vy - вертикальное движение воздуха,α - угол атаки.)
Рис.5 Картина изменения скорости и угла атаки набегающего потока при вращении лопасти несущего винта.
До точки90º избыточная подъемная сила будет продолжать расти, однако из-за вышесказанного со все большим замедлением. После90º эта сила будет уменьшаться, но из-за ее присутствия лопасть будет продолжать двигаться вверх, правда все медленнее. Максимальную высоту взмаха она достигнет уже несколько перевалив за точку180º . Это происходит потому, что лопасть имеет определенный вес, и на нее действуют еще исилы инерции .
При дальнейшем вращении лопасть становится отступающей, и на нее действуют все те же процессы, но уже в обратном направлении. Величина подъемной силы падает и центробежная сила вместе с силой веса начинают опускать ее вниз. Однако при этом растут углы атаки для набегающего потока (теперь уже воздух движется вверх по отношению к лопасти), и растет установочный угол лопасти из-за неподвижности тягавтомата перекоса вертолета . Все происходящее поддерживает подъемную силу отступающей лопасти на необходимом уровне. Лопасть продолжает опускаться и минимальной высоты взмаха достигает уже где-то после точки0º , опять же из-за сил инерции.
Таким образом, лопасти вертолета при вращении несущего винта как бы «машут » или еще говорят «порхают». Однако это порхание вы, так сказать, невооруженным взглядом вряд ли заметите. Подъем лопастей вверх (как и отклонение их назад в вертикальном шарнире) очень незначительны. Дело в том, что на лопасти оказывает очень сильное стабилизирующее воздействие центробежная сила. Подъемная сила, например, больше веса лопасти в10 раз , а центробежная - в100 раз . Именно центробежная сила превращает на первый взгляд «мягкую» гнущуюся в неподвижном положении лопасть в жесткий, прочный и отлично работающий элемент несущего винта вертолета вертолета.
Однако несмотря на свою незначительность вертикальное отклонение лопастей присутствует, и несущий винт при вращении описывает конус, правда очень пологий. Основание этого конуса и естьплоскость вращения винта (см рис1.)
Для придания вертолету поступательного движения нужно эту плоскость наклонить, дабы появилась горизонтальная составляющая полной аэродинамической силы, то есть горизонтальная тяга винта. Иначе говоря, нужно наклонить весь воображаемый конус вращения винта. Если вертолету нужно двигаться вперед, значит конус должен быть наклонен вперед.
Исходя из описания движения лопасти при вращении винта, это означает, что лопасть в положении180º должна опуститься, а в положении0º (360º) должна подняться. То есть в точке180º подъемная сила должна уменьшиться, а в точке0º(360º) увеличиться. А это в свою очередь можно сделать уменьшив установочный угол лопасти в точке180º и увеличив его в точке0º (360º) . Аналогичные вещи должны происходить при движении вертолета в других направлениях. Только при этом, естественно, аналогичные изменения положения лопастей будут происходить в других угловых точках.
Понятно, что в промежуточных углах поворота винта между указанными точками установочные углы лопасти должны занимать промежуточные положения, то есть угол установки лопасти меняется при ее движении по кругу постепенно,циклично .Он так и называется циклический угол установки лопасти (циклический шаг винта ). Я выделяю это название потому, что существует еще иобщий шаг винта (общий угол установки лопастей). Он изменяется одновременно на всех лопастях на одинаковую величину. Обычно это делается для увеличения общей подъемной силы несущего винта.
Такие действия выполняетавтомат перекоса вертолета . Он изменяет угол установки лопастей несущего винта (шаг винта), вращая их в осевых шарнирах посредством присоединенных к ним тяг. Обычно всегда присутствуют два канала управления: по тангажу и по крену, а также канал изменения общего шага несущего винта.
Тангаж означает угловое положение летательного аппарата относительно его поперечной оси (нос вверх-вниз), акрен , соответственно, относительно его продольной оси (наклон влево-вправо).
Конструктивноавтомат перекоса вертолета выполнен достаточно сложно, но пояснить его устройство вполне можно на примере аналогичного узла модели вертолета. Модельный автомат, конечно, устроен попроще своего старшего собрата, но принцип абсолютно тот же.
Рис. 6 Автомат перекоса модели вертолета
Это двухлопастной вертолет. Управление угловым положением каждой лопасти осуществляется через тяги6 . Эти тяги соединены с так называемой внутренней тарелкой2 (из белого металла). Она вращается вместе с винтом и в установившемся режиме параллельна плоскости вращения винта. Но она может менять свое угловое положение (наклон), так как закреплена на оси винта через шаровую опору3 . При изменении своего наклона (углового положения) она воздействует на тяги6 , которые, в свою очередь, воздействуют на лопасти, поворачивая их в осевых шарнирах и меняя, тем самым, циклический шаг винта.
Внутренняя тарелка одновременно является внутренней обоймой подшипника, внешняя обойма которого - этовнешняя тарелка винта1 . Она не вращается, но может менять свой наклон (угловое положение) под воздействием управления по каналу тангажа4 и по каналу крена5 . Меняя свой наклон под воздействием управления внешняя тарелка меняет наклон внутренней тарелки и в итоге наклон плоскости вращения несущего винта. В итоге вертолет летит в нужном направлении.
Общий шаг винта меняется перемещением по оси винта внутренней тарелки2 при помощи механизма7 . В этом случае угол установки меняется сразу на обеих лопастях.
Для более лучшего понимания помещаю еще несколько иллюстраций втулки винта с автоматом перекоса.
Рис. 7 Втулка винта с автоматом перекоса (схема).
Рис. 8 Поворот лопасти в вертикальном шарнире втулки несущего винта.
Рис. 9 Втулка несущего винта вертолета МИ-8
Для того чтобы вертолет обладал высокими летно-техническими характеристиками и был эффективным транспортным средством, удобным в эксплуатации, он должен отвечать ряду требований. Эти требования можно разделить на общие для всех летательных аппаратов (ЛА) и специальные, зависящие от целевого назначения и особенностей боевого применения.
К общим требованиям относятся:
Многие из этих требований противоречивы. В ходе проектирования вертолетов происходит преодоление этих противоречий путем принятия компромиссных решений или разработки принципиально новых конструкций.
В связи с усложнением авиационной техники и повышением требований к уровню безопасности полетов существенно возросла важность эргономических требований к JTA. Эргономические требования сводятся к приспособленности ЛА, его кабины, командных рычагов управления, приборного и другого оборудования к физиологическим и психологическим возможностям человека для наиболее эффективного использования возможностей как ЛА, так и летчика. В этом отношении весьма важно правильное распределение функций между автоматикой JIA и летчиком.
Эргономические требования включают гигиенические, антропометрические, физиологические и психофизиологические требования к Л А. Гигиенические требования сводятся к соблюдению норм микроклимата и ограничению воздействия вредных факторов внешней среды на человека (шума, вибраций, температуры и т. д.). Антропометрические требования определяют размеры кабины, командных рычагов управления, их расположение в соответствии с ростом человека, длиной его конечностей и т. д. Физиологические требования задают величины управляющих усилий в соответствии с возможностями человеческого организма. Психофизиологические требования характеризуют приспособленность ЛА, приборного оборудования к особенностям органов чувств человека.
Кроме перечисленных выше общих требований к вертолетам предъявляются специальные требования, отражающие специфику их конструкции, режимов полета, способов создания подъемной силы, управления и так далее.
К специальным требованиям относятся:
При разработке военного вертолета к нему предъявляются специальные требования, определяемые его назначением и условиями боевого применения, так называемые тактико-технические требования (ТТТ). Они задают летно-технические характеристики, необходимые для эффективного выполнения поставленных боевых задач: максимальную скорость, дальность полета, потолок, полезную нагрузку, состав экипажа, необходимое оборудование и вооружение. ТТТ разрабатываются с учетом современного уровня развития науки- и- техники и ближайших перспектив их развития.
Вертолетом называют ЛА, у которого подъемная сила и тяга для поступательного полета создаются лопастями одного или нескольких вращающихся НВ. В отличие от крыла самолета лопа- ети НВ обтекаются набегающим потоком не только при поступательном полете, но и при работе на месте. Это обеспечивает вертолету возможность висеть неподвижно, взлетать и садиться вертикально.
В ходе зарождения и развития вертолетов было опробовано большое число различных схем, от простейших до сложных комбинированных ЛА. В результате были отброшены неудачные и выявились жизнеспособные схемы вертолетов, используемые в настоящее время.
Основным критерием различия этих схем принято считать количество и расположение несущих винтов. По числу НВ вертолеты могут быть одновинтовыми, двухвинтовыми и многовинтовыми. Современные вертолеты строятся только по одновинтовой и двухвинтовой схемам.
Одновинтовая схема отличается сравнительно малой массой, наибольшей простотой конструкции и системы управления. Однако для уравновешивания реактивного момента НВ такого вертолета необходим рулевой винт, потребляющий до 10% мощности силовой установки. Он устанавливается на длинной балке, увеличивающей габариты и массу вертолета, создает опасность для обслуживающего персонала.
Недостатком одновинтового вертолета является также узкий диапазон допустимых центровок, поскольку его балансировка возможна при условии, что центр масс расположен вблизи оси вала НВ.
НВ двухвинтовых вертолетов вращаются в противоположных направлениях, поэтому их реактивные моменты уравновешивают друг друга без дополнительных затрат мощности.
Вертолеты продольной схемы наиболее распространены среди двухвинтовых вертолетов благодаря ряду преимуществ:
Продольная схема, однако, имеет ряд серьезных недостатков:
Двухвинтовые вертолеты поперечной схемы имеют ряд положительных качеств:
Серьезным недостатком поперечной схемы является необходимость специальной конструкции для размещения винтов, которая имеет большие лобовое сопротивление и массу. Для снижения лобового сопротивления эта конструкция может быть выполнена в виде крыла.
К недостаткам поперечной схемы следует также отнести узкий диапазон центровок и необходимость длинной трансмиссии для синхронизации НВ, трудности обеспечения устойчивости и управляемости.
Двухвинтовые вертолеты соосной схемы обладают наименьшими габаритами. НВ вертолета соосной схемы расположены один над другим и не требуют синхронизации вращения, что значительно упрощает и облегчает трансмиссию. Аэродинамическая симметрия схемы упрощает пилотирование и прицеливание.
Однако соосной схеме присущи определенные недостатки:
Советским конструкторам удалось справиться с трудностями доводки опытных вертолетов такой схемы, и они выпускаются серийно.
У двухвинтового вертолета с перекрещивающимися винтами оси НВ расположены по бокам фюзеляжа и наклонены наружу. Ввиду потерь мощности, связанных с наклоном НВ, и очень сложной системой управления такая схема не получила широкого распространения.
Скорость полета вертолетов любых схем ограничена условиями обтекания НВ. При увеличении скорости полета концевые участки лопастей испытывают влияние сжимаемости воздуха и попадают в режим срыва потока, что приводит к сильным вибрациям и резкому увеличению потребляемой мощности. Поэтому максимальная скорость горизонтального полета обычных вертолетов не превышает 320-340 км/ч.
Для дальнейшего увеличения скорости полета необходимо разгрузить НВ. С этой целью на вертолет устанавливается крыло.
Дополнительная тяга в направлении полета вертолета может создаваться воздушным винтом (тянущим или толкающим) или турбореактивным двигателем. Скорость таких комбинированных ЛА может достигать 500 км/ч и выше. Несмотря на сложность конструкции, вертолеты комбинированной схемы являются перспективными.
В настоящее время наибольшее распространение у нас в стране и во всем мире получили вертолеты, выполненные по одновинтовой схеме с рулевым винтом.
В процессе развития вертолетостроения сложился вполне определенный облик современного вертолета.
Основной частью вертолета является фюзеляж, предназначенный для размещения грузов, экипажа, оборудования, топлива и т. п. Кроме того, он является силовой базой, к которой крепятся все остальные части вертолета и передаются нагрузки от них. Фюзеляж представляет собой тонкостенную подкрепленную конструкцию. Центральная часть фюзеляжа обычно является грузовой кабиной, носовая - кабиной экипажа.
Хвостовая 8 и концевая 6 балки являются продолжением фюзеляжа и предназначены для размещения рулевого винта и оперения вертолета.
На потолочной панели центральной части фюзеляжа устанавливаются двигатели 1 (обычно два газотурбинных двигателя), выходные валы которых соединяются с главным редуктором.
Главный редуктор распределяет мощность, поступающую от двигателей, между агрегатами вертолета. Основным потребителем мощности двигателей является НВ, установленный на валу главного редуктора. Он предназначен для создания силы тяги, необходимой для полета вертолета, а также для продольного и поперечного управления.
Основными частями НВ являются: втулка 2 и прикрепленные к ней лопасти 3, непосредственно создающие подъемную силу.
При вращении НВ на вертолет действует реактивный момент, стремящийся развернуть его в противоположном направлении. Для уравновешивания этого момента служит рулевой винт 5. Его привод осуществляется от главного редуктора через систему валов и редукторов. Кроме того, рулевой винт используется для путевого управления вертолетом.
Шасси обеспечивает обирание вертолета при стоянке и передвижении по поверхности земли, а также снижение нагрузок при посадке.
Наибольшее распространение получила трех-опорная схема шасси с носовым колесом: основные опоры 9 располагаются позади центра масс вертолета, передняя 12-под носовой частью фюзеляжа. На скоростных вертолетах шасси может убираться в полете.
Оперение предназначено для повышения устойчивости вертолета. Оно состоит из стабилизатора 7 и киля, роль которого играет обычно специально спрофилированная концевая балка.
Компоновка двухвинтового вертолета соосной схемы отличается компактностью ввиду меньшего диаметра винтов и отсутствия рулевого винта с хвостовой и концевой балками. Однако соосное расположение НВ увеличивает высоту вертолета, а недостаточная путевая устойчивость требует установки достаточно мощного вертикального оперения.
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.
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.
Сила, возникающая при вращении главного винта, стала бы раскручивать весь вертолет, если бы не было стабилизирующего эффекта от работы вспомогательного винта, расположенного на хвосте.
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.
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.
20.06.2015Принцип полета самолета и вертолета
Устройство самолета
Применяемые самолеты и требования к ним
Устройство вертолета
Классификация вертолетов
