История создания первых вертолетов

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. История создания первых вертолетов

2. Типы вертолетов

3. Конструкции вертолетов

Используемая литература

1. История создания первых вертолетов

Первый эскиз вертолета с кратким описанием сделал в 1489 г. Леонардо да Винчи. Его вертолет приводился в движение мускульной силой. Неизвестно, проводил ли Леонардо испытания своего аппарата, поскольку не осталось никаких документов, свидетельствующих об этом. Ученые долго считали, что летательный аппарат невозможно привести в движение мускульной силой. Но не так давно был построен такой вертолет. Он смог взлететь и летать.

Триста лет спустя после Леонардо М.В. Ломоносов построил первую модель вертолета. Она состояла из фюзеляжа и двух винтов, вращавшихся в разные стороны. Эта модель предназначалась для подъема термометров с целью измерения температуры воздуха в верхних слоях атмосферы. Двигателем служила часовая пружина.

В 1784 г. французские изобретатели Лоннуа и Бьенвеню использовали в своей модели вертолета силу упругости сжатого лука. Вес их игрушечной модели составлял около 80 г.

В 90-е годы XIX в. созданием вертолета начал заниматься Н.Е. Жуковский вместе со своими учениками. Ученый считал, что за геликоптером всегда будет оставаться преимущество безопасного подъема и спуска.

И вот в 1907 году появился вертолет, который смог оторваться от земли. Его сконструировали французы, братья Л. и Ж. Бреге, совместно с профессором Ш. Рише.

Русский изобретатель И.И. Сикорский в 1901 г. еще в детстве построил модель своего первого вертолета с двигателем на резинке. Позже он создал большую модель с двумя пропеллерами, которая поднялась в воздух и летала в нескольких метрах над землей.

Еще в конце XIX в. было предложено несколько схем вертолета: одновинтовая, соосная, поперечная и продольная схема расположения винтов.

Недостатком одновинтовой схемы был реактивный момент, возникающий при вращении винта. Он заставлял вращаться не столько сам винт, сколько гондолу вертолета. Для его компенсации предлагалось устанавливать рулевые винты или применять двухвинтовую соосную схему. Для обеспечения поступательного движения вертолета предлагалось применять пропеллеры или наклон оси вращающегося винта. Были также предложения использовать машущие крылья, гребные колеса, наземные буксиры и парус.

Особую роль в истории мирового вертолетостроения занимает работа в 1908--1914 гг. студента Московского технического училища Б.Н. Юрьева. Он возглавлял группу студентов, членов комиссии по геликоптерам при Воздухоплавательном кружке МТУ. В 1911 г. Юрьев разработал проект одновинтового вертолета с хвостовым рулевым винтом. В этом проекте Юрьев смог решить проблему уравновешивания реактивного момента, действующего на гондолу. Для этого он применил рулевой винт, установленный на хвосте вертолета и приводимый в движение передачей от двигателя. Поскольку у силы, создаваемой хвостовым винтом, было большое плечо относительно центра тяжести вертолета, ее действие уравновешивало реактивный момент. Для поворота вертолета Юрьев предложил делать шаг лопастей хвостового винта изменяемым. При увеличении тяги этого винта можно было преодолевать реактивный момент главного винта и разворачивать машину в нужном направлении.

Чтобы обеспечить управляемость вертолета относительно продольной и поперечной осей, можно было поставить сбоку и спереди машины по одному винту. Боковой винт управлял бы креном вертолета, а передний регулировал высоту полета аппарата. Однако такая схема была очень сложной и делала вертолет неустойчивым. Поэтому Юрьев сконструировал несущий винт таким образом, что тот самостоятельно создавал оба момента, необходимые для управления вертолетом. С этой целью изобретатель создал аппарат перекоса. Принцип его работы состоял в том, что управление полетом осуществлялось путем изменения угла наклона лопастей к плоскости вращения, что достигалось подвижностью лопастей относительно их продольных осей. Если разные участки описываемого круга лопасть проходила с различными углами установки, то это приводило к увеличению или уменьшению тяги на этих участках. В результате несущий винт поворачивался в соответствующую сторону.

Необходимую установку лопастей и обеспечивал автомат. Он состоял из двух колец, связанных жесткой скользящей связью и подвешенных на кардане на неподвижной опоре. Внутреннее, подвижное, кольцо было связано тягами с рычагами, поворачивающими лопасти, и вращалось вместе с валом винта. Внешнее, неподвижное, кольцо было связано с тягами продольного и поперечного управления. Оно передавало усилие от этих тяг на подвижное кольцо, изменяя при этом угол наклона последнего. Наклоняясь, подвижное кольцо вызывало изменение углов установки лопастей относительно продольной оси и появление горизонтальной составляющей тяги несущего винта. Эта составляющая сообщала вертолету поступательное движение и наклоняла его в сторону движения. Для поворота было необходимо направить в нужную сторону внешнее кольцо.

Для вертикального перемещения вертолета служила система управления общим шагом винта. Оно достигалось одновременным увеличением или уменьшением углов установки всех лопастей несущего винта путем поднимания или опускания скользящего кардана автомата перекоса. Одновременно увеличивалась или уменьшалась тяга двигателя.

Бурное развитие самолетостроения привело к тому, что конструкторы на время оставили вертолет без внимания. Лишь в 1923 г. испанец Пескара создал вертолет, который десять минут парил в воздухе на высоте трех метров и пролетел в общей сложности 300 м.

В 1924 г. француз Эмишен построил вертолет, который поднялся и пролетел на высоте полтора метра около 120 м. Управлял им сам Эмишен. Эта машина умела зависать в воздухе, разворачиваться на месте и лететь задним ходом.

Свою детскую мечту И. Сикорскому удалось реализовать. В 1919 г. он эмигрировал в США, где создал свою фирму "Сикорский". В 1939 г. изобретатель создал свой первый вертолет S-46. Он отказался от полных расчетов машины и вносил изменения прямо в ходе испытаний. Вертолет имел простую конструкцию: фюзеляж представлял собой ферму из стальных труб, кресло пилота было открытым и находилось впереди двигателя мощностью 65 л. с. Вращение посредством ременной передачи передавалось на редуктор, приводящий в движение трехлопастный несущий винт. Рулевой однолопастный винт устанавливался в хвосте на коробкообразной балке.

Испытания показали несовершенство конструкции. Из-за неправильного расчета плохо работал автомат перекоса. Это привело к плохой управляемости вертолета. При одном испытании он опрокинулся и разбился. После этого Сикорский применил схему с тремя рулевыми винтами. Эта машина хорошо управлялась и в мае 1940 г. Сикорский показал ее летчикам. Вертолет свободно перемещался в разные стороны, зависал неподвижно и разворачивался на месте, но при этом не летел вперед. После определения и устранения недостатка летные качества машины значительно улучшились. Два года Сикорский менял конструкцию, используя различные системы управления. Это помогло ему в создании новых вертолетов.

После войны в СССР, были созданы конструкторские бюро М.Л. Миля и Н.С. Камова. В первом разрабатывались одновинтовые вертолеты, во втором - вертолеты, работающие по двухвинтовой соосной схеме. Кроме них вертолётами занималось КБ А.С. Яковлева. Первым советским серийным вертолетом стал Ми-1, выпуск которого начался в 1951 году.

На современных вертолетах устанавливают поршневые и воздушно-реактивные двигатели. Для кратковременного увеличения мощности при взлете и посадке вертолета может применяться ракетный двигатель. На некоторых вертолетах применяли самолетные одновальные турбовинтовые двигатели и двухвальные турбовинтовые двигатели со свободной турбиной. Возможен также реактивный привод несущего винта, в котором окружное усилие создается автономными реактивными двигателями, расположенными на лопастях несущего винта, или истечением газа из сопловых отверстий, расположенных на концах лопастей.

Вертолеты применяются в вооруженных силах для перевозки войск и грузов, огневой поддержки сухопутных войск, разведки, поиска и уничтожения подводных лодок. В народном хозяйстве вертолеты используются для перевозки пассажиров, грузов, уничтожения вредителей сельхозкультур, удобрения полей, монтажных работ.

Массовое применение вертолетов стало возможным благодаря тому, что были решены две главные проблемы - достигнут необходимый уровень безопасности полета и созданы винтокрылые аппараты с высокими летными характеристиками и технико-экономическими показателями.

Летные испытания и исследования являются важнейшим завершающим этапом разработки вертолетов и внедрения их в серийное производство и эксплуатацию. Отечественный и зарубежный опыт вертолетостроения показывает, что летные испытания и исследования позволяют приобрести такую информацию, которая не может быть получена другими методами.

По результатам летных испытаний разрабатывают научно обоснованные и надежно апробированные в полетах методические руководства, позволяющие получать достоверные и сравниваемые данные для определения всех летно-технических характеристик, разрабатывать рекомендации по пилотированию, ограничениям режимов полета в различных условиях. Летные исследования позволяют также получать уникальные рекомендации по решению ряда научно-технических проблем на этапе проектирования вертолетов.

Расширение круга задач, решаемых в натурном эксперименте, приводит к тому, что трудоемкость летных испытаний, а следовательно, и сроки их проведения неуклонно увеличиваются. По стоимости и времени проведения работ летные испытания стали сопоставимы с другими этапами общего процесса теоретической и экспериментальной разработки, конструирования опытного вертолета.

Значительное место в летных испытаниях занимает определение аэродинамических и летных характеристик вертолетов, для чего необходимо решить следующие задачи:

выявить из всей совокупности необходимый минимум летных характеристик, которые позволяют в полной мере определить транспортные возможности вертолета с учетом безопасности полета;

определить рациональные методы пилотирования, при которых реализуются наилучшие летные характеристики;

получить при ограниченном объеме испытаний летные характеристики в ожидаемых условиях эксплуатации;

определить показатели топливной и транспортной эффективности вертолета и наилучшие режимы полета по этим показателям.

Кроме того, поскольку неотъемлемой частью летных испытаний является доводка вертолета, возникает задача надежной количественной оценки эффективности различных конструктивных мероприятий, направленных на улучшение летных характеристик вертолета.

Сложность решения этих задач заключается в том, что летные характеристики зависят от большего числа атмосферных и эксплуатационных факторов, и поэтому их определение в случайных условиях проведения натурного эксперимента простым варьированием этих факторов практически невозможно, так как для этого потребовались бы огромные затраты летного времени.

Большой опыт летных испытаний самолетов показал, что методы определения в полете их летных характеристик необходимо разрабатывать с учетом особенностей характеристик силовой установки.

В настоящее время наибольшее распространение получили вертолеты с газотурбинными, так называемыми турбовальными двигателями.

Весьма результативными при летных испытаниях самолетов с газотурбинными двигателями оказались методы, основанные на теории подобия режимов полета. Знание обобщенных летных характеристик позволяет также существенно упростить методы нахождения наивыгоднейших режимов полета.

Методы испытаний самолетов нельзя было непосредственно применять для летных испытаний вертолетов, так как вследствие принципиальных различий в аэродинамике и силовых установках этих двух типов летательных аппаратов критерии подобия режимов полета у них также различны. Однако методические подходы, использовавшиеся при создании комплекса практических методов определения в полете летных характеристик самолетов с газотурбинными двигателями, оказались весьма полезными при разработке методов летных испытании вертолетов с турбовальными двигателями. вертолет пилотирование винт

Важное место в летных испытаниях вертолетов занимают вопросы определения их взлетно-посадочных характеристик (ВПХ). Наряду с определением потребных взлетных и посадочных дистанций в различных условиях эксплуатации, весьма актуальным является также нахождение рациональных методов пилотирования, при которых реализуются наилучшие характеристики.

Значительное внимание уделяется при летных испытаниях особенностям режимов полета вертолета в случае отказа двигателей. Отрабатываемые при этом методы пилотирования позволяют обеспечивать при эксплуатации безопасную посадку вертолета на режимах авторотации и при частичной потере располагаемой мощности. Результаты летных исследований дают возможность правильно учитывать необходимые для безопасности ограничения высоты и скорости полета, связанные с характером изменения аэродинамики на малых скоростях, вблизи земли и с наличием так называемого режима "вихревою кольца". В результате таких исследований были заложены основы для правильного выбора оптимальных траекторий взлета и посадки, что приобрело особую актуальность в связи с разработкой и внедрением в практику вертолетостроения.

2. Типы вертолетов

Вертолеты можно подразделить на несколько типов, имеющих свои особенности, преимущества и недостатки.

Одновинтовой вертолет. В настоящее время наиболее распространенным типом является одновинтовой вертолет с хвостовым винтом. Преимуществами данного типа является относительная простота - один несущий винт, простое управление,-- одна главная трансмиссия. Несмотря на то, что хвостовой винт потребляет 8--10% мощности мотора на висении и 3-4% в поступательном полете, простота устройства и экономия в весе по сравнению с другими способами компенсации крутящего момента, очевидно, покрывают эти потери мощности. Недостатком схемы является опасность, которую хвостовой винт представляет для наземного персонала.

Одновинтовой вертолет Белл Н-13.

Жиродин - вертолет, у которого ось винта, компенсирующего крутящий момент, направлена по полету. В этом случае винт создает тягу вперед, вместо того чтобы для этого использовать главный несущий винт. Таким образом, несколько повышается эффективность несущего винта, поскольку исключается необходимостьв его наклоне вперед, что приводит к более равномерному распределению углов атаки по несущему винту. На жиродине винт, компенсирующий крутящий момент несущего винта, следует располагать так, чтобы не создавать значительного лобового сопротивления на коротком плече, что приводит к увеличению мощности, подаваемой к компенсирующему винту.

Реактивный вертолет дает простейшее решение проблемы крутящего момента. Крутящий момент несущего винта создается двигателями, расположенными на концах лопастей, а не передается через вал. Единственный момент, который передается на фюзеляж,-- это момент трения подшипников. Путевое управление может быть осуществлено с помощью килевой поверхности или руля, использующих индуктивный поток от несущего винта на висении или набегающий поток при поступательном полете. Реактивная тяга может создаваться реактивными двигателями, расположенными на концах лопастей, или реактивными соплами, помещаемыми там же, но снабжаемыми воздухом от нагнетателя, установленного в фюзеляже и приводимого двигателем. Преимуществом реактивного несущего винта является его простота, к недостаткам же, следует отнести высокий расход топлива. Развитие реактивных вертолетов будет всецело зависеть от развития соответствующих двигателей.

Советский реактивный вертолет

Соосный вертолет. В соосном вертолете момент на фюзеляже отсутствует вследствие наличия двух расположенных друг над другом винтов, вращающихся в противоположных направлениях.

Эти винты могут иметь одинаковые или различные диаметры. Единственным обязательным требованием является равенство крутящих моментов у обоих винтов. Соосный вертолет имеет меньшие габариты по сравнению с одновинтовым вертолетом; при этой схеме мощность на компенсацию крутящего момента не затрачивается. Однако управление у соосного вертолета значительно сложнее, чем у других вертолетов, и они имеют больший вес несущей системы.

Вертолет с поперечным расположением несущего винта.

Основным преимуществом такого вертолета является уменьшение потребной для поступательного полета мощности, подобно тому как это происходит при увеличении удлинения самолетного крыла.

Вертолет поперечной схемы Мак Донал XHJD-I

Это преимущество становится важным в больших многомоторных вертолетах, где требуется продолжение горизонтального полета

при одном остановившемся моторе. Недостаток этого типа вертолета заключается в том, что он имеет большое вредное сопротивление вследствие лобового сопротивления конструкции, поддерживающей разнесенные несущие винты. Если эту конструкцию сделать небольшой по габаритам и обтекаемой, то получается значительная прибавка в весе. Конструкцию, поддерживающую несущие винты, можно сделать несущей, тогда она частично разгрузит несущие винты при поступательном полете, что повысит общее качество вертолета. По сравнению с одновинтовой схемой вертолет с поперечным расположением винтов имеет более сложную трансмиссию и увеличенные габариты, хотя последние зависят от степени перекрытия несущего винта. Синхроптер(вертолет с перекрещивающимися несущими винтами), у которого винты перекрывают друг друга очень сильно, отличается компактностью и относительной простотой трансмиссии, достигаемыми за счет снижения качества.

Вертолет с продольным расположением несущего винта.

Главным преимуществом вертолета с продольным расположением несущего винта является вместительный фюзеляж и значительные пределы допускаемого перемещения центра тяжести. Полезная нагрузка может быть распределена между несущими винтами в различных пропорциях. Недостатки, вызываемые усложненной трансмиссией и ее повышенным весом, подобны упомянутым для вертолетов с поперечным расположением винтов. Другим серьезным недостатком продольной схемы является пониженная эффективность винтов, так как один из них работает в струе другого. Потеря качества при поступательном полете может быть несколько уменьшена расположением заднего несущего винта с некоторым превышением над передним. Вертолеты продольной схемы могут иметь винты различных диаметров. При соответствующем выборе соотношения размеров переднего и заднего винтов можно получить улучшение устойчивости и управляемости.

Многовинтовые вертолеты.

Было много проектов многовинтовых вертолетов главным образом тяжелого типа. Несколько несущих винтов могут упростить управление, так как поворот вертолета относительно любой из трех осей может производиться простым увеличением тяги одного несущего винта относительно других. Для тяжелых вертолетов многовинтовая схема позволяет сохранять размеры винтов в разумных пределах.

Способы управления вертолетами

Рассмотрев типы вертолетов, разберем системы управления, применяемые на них.

Требования к управлению. Чтобы полностью управлять телом в пространстве, нужно иметь возможность изменять силы и моменты относительно трех взаимно перпендикулярных осей. Это требует шесть независимых управлений.

Система осей

Например, если тело движется в сторону, необходимо приложить силу, чтобы вернуть его в первоначальное положение. Если оно вращается, необходимо приложить момент, чтобы остановить вращение. Для человека было бы чрезвычайно трудно координировано осуществлять шесть независимых управлений, к счастью, возможно уменьшить количество управлений, объединяя их.

Летчику на вертолете действительно требуется создавать моменты относительно всех трех осей, чтобы выровнять машину, накрененную порывом ветра. Однако ему не требуется создавать момент (например, пикирующий) без создания в то же время соответствующей силы, в нашем случае силы, действующей в продольном направлении. Он жертвует здесь равновесием сил, которое имеет место на висении, и вращает фюзеляж так, чтобы получить желаемое положение. Таким образом, одновременное создание момента тангажа и продольной силы исключает одно из шести независимых управлений. Фактически для вертолета необходимы четыре независимых управления. Рассмотрим их.

1. Вертикальное управление необходимо для изменения положения вертолета в пространстве по вертикали.

Управление по вертикали осуществляется с помощью одновременного изменения угла установки всех лопастей несущего винта (управление общим шагом), что вызывает изменение величины его тяги.

2. Путевое управление определяет положение вертолета в пространстве относительно вертикальной оси и позволяет летчику направлять нос вертолета в любом желаемом направлении в горизонтальной плоскости.

3. Поперечное управление включает использование как моментов, так и сил. Когда летчик приводит в действие поперечное управление, возникает кренящий момент относительно центра тяжести, и вертолет наклоняется. В результате наклона компонент вектора тяги начинает действовать в направлении крена. Поэтому действие поперечного управления вызывает одновременно крен и боковое перемещение вертолета. Для вертолета поперечной схемы первоначальное действие поперечного управления создает чистый кренящий момент, а для одновинтового вертолета одновременно возникает и боковая сила.

4. Продольное управление аналогично поперечному. Моменты тангажа возникают одновременно с продольными силами. Способы продольного управления для различных схем вертолетов показаны на рисунке.



а) б) в)

Способы продольного управления

(а- дифференциальное изменение тяги, б- изменение тяги по азимуту(жесткий винт), в- наклон вектора тяги несущего винта, г- горизонтальный рулевой винт, д- наклон вектора тяги с применением разнесенных горизонтальных шарниров).

Взаимовлияние при действии управлений обычно нежелательно.

Например, у одновинтового вертолета увеличение вертикальной силы вызывает увеличение крутящего момента, что требует коррекции путевого управления для сохранения первоначально заданного направления полета. Такое взаимовлияние управления требует сложной координации движений летчика и удлиняет время подготовки летчиков.

Рычаги управления у летчика. Для создания сил и моментов, необходимых для управления машиной, летчик снабжается рычагами управления, на которые он воздействует руками и ногами.

Ручка управления располагается перед летчиком. Она весьма похожа на ручку управления на самолетах и служит для осуществления продольного и поперечного управления. На вертолете летчик отклоняет ручку в направлении, в котором он желает двигаться: вперед, вбок, назад.

Педали, как и в самолете, служат для путевого управления.

Для поворота вертолета вправо летчик нажимает на правую педаль, для поворота влево - на левую.

Рычаг общего шага приводится левой рукой летчика и служит для одновременного изменения углов установки всех лопастей несущего винта, для вертикального перемещения вертолета и для коррекции высоты при горизонтальном полете. Если управление механическое, рычаг общего шага располагается обычно сбоку у летчика и перемешается вверх и вниз. Если общий шаг имеет электрическое или гидравлическое управление, рычаг общего шага может быть очень небольшим и может располагаться в любом удобной месте; однако при этом должен быть предусмотрен большой аварийный рычаг, которым можно пользоваться в случае отказа электрики или гидравлики.

Рычаг управления дросселем двигателя обычно располагается вблизи рычага общего шага или на нем. В случае механического управления регулирование открытия дросселя осуществляется вращением рукоятки, расположенной на конце рычага общего шага. В случае электрического или гидравлического управления рычаг управления дросселем может быть расположен рядом с рычагом общего шага так, чтобы оба рычага можно было перемещать совместно одной рукой. В обоих случаях предусматривается механическая связь управления общим шагом и дросселем, чтобы при увеличении шага происходило открытие дросселя двигателя и обороты несущего винта поддерживались приблизительно постоянными. Может быть установлен peгулятор постоянных оборотов, полностью освобождающий летчика от наблюдения за оборотами и от управления шагом или дросселем. В первом случае регулятор воздействует на шаг, устанавливая его в соответствии с мощностью двигатели, во втором случае регулятор воздействует на дроссель двигателя, обеспечивая создание мощности, соответствующей установленному шагу.

Иногда создаются устройства, обеспечивающие автоматическое уменьшение шага несущего винта с тем, чтобы сохранить минимальные обороты, необходимые для самовращения в случае отказа двигателя или опоздания летчика уменьшить шаг.

Типы несущих винтов

Имеются три основных типа несущих винтов.

1. Винты, у которых лопасти прикреплены к втулке с помощью шарниров, дающих возможность совершать ей движения вверх, вниз и в плоскости вращения

Трехлопастный несущий винт с шарнирным креплением лопастей.

2. Винты, у которых лопасти прикреплены к втулке жестко, но сама втулка может наклоняться относительно вала

Двухлопастный несущий винт на кардане

3. Винты, у которых лопасти прикреплены к валу жестко.

Шарниры лопастей винта первого типа могут располагаться на различном расстоянии oт оси вращения. Положение горизонтального шарнира (ГШ), позволяющего лопасти совершать маховое движение вверх и вниз, влияет на устойчивость и управляемость вертолета, в то время как положение вертикального шарнира (ВШ), дающего возможность лопасти совершать колебания в плоскости вращения, важно с точки зрения вибраций. Шарнирный несущий винт обычно имеет демпферы, предотвращающие чрезмерное перемещение лопасти относительно ВШ. Несущие винты первого и второго типов отличаются главным образом тем, что у второго типа отсутствует свобода перемещения лопастей в плоскости вращения.

Двухлопастный несущий винт с жестким креплением лопастей

При разборе управления несущим винтом, маховое движение несущего винта первого типа принимается одинаковым с маховым движением несущего винта второго типа, у которого ГШ расположен на оси вращения.

Несущие винты могут иметь одну, две, три, четыре иди более лопастей. Выбор числа лопастей определяется такими факторами, как вибрации, вес, сложность, габариты вертолета. В общем случае увеличение числа лопастей уменьшает вибрации и увеличивает вес и сложность.

Механика управления несущим винтом

Как указывалось выше, вертолет управляется созданием момента относительно втулки несущего винта, наклоном результирующего вектора тяги или комбинацией обоих способов. Ниже рассматриваются способы изменения моментов и наклона векторов тяги для винтов с шарнирным и жестким креплением лопастей.

Управление наклоном втулки.

Если втулка жесткого или шарнирного винта наклоняется относительно фюзеляжа, происходит наклон вектора тяги.

В обычных вертолетах с поршневым двигателем трудно осуществить наклон втулки, так как к ней передается большой крутящий момент. Управление наклоном втулки обычно делается на реактивных вертолетах или на автожирах, где нет передачи крутящего момента.

Циклическое управление.

Наиболее распространенным способом управления как жестким, так и шарнирным несущим винтом является циклическое изменение угла установки лопасти при ее вращении по азимуту. Это обычно осуществляется с помощью специального устройства--автомата-перекоса (АП).

Крепление лопасти к втулке включает осевой шарнир, который позволяет лопасти поворачиваться относительно своей продольной оси и таким образом изменяется угол установки (шаг), следуя за наклоном тарелки автомата-перекоса, но мере того как лопасть меняет свое азимутальное положение, двигаясь по окружности. При циклическом управлении влияние наклона АП на жесткий и шарнирный винты различно. При жестко закрепленных лопастях наклон АП создает момент на втулке винта, действующий в направлении наклона АП вследствие разницы в подъемных силах диаметрально противоположных лопастей. У шарнирного несущего винта с ГШ, расположенными на оси вращения, наклон АП вызывает наклон вектора тяги, так как лопасти могут совершать маховое движение, и передача момента исключена. В этом случае наклон АП аналогичен соответствующему наклону оси втулки. Если ГШ расположены не на оси вращения винта, то наклон несущего винта создает одновременно и момент и наклон вектора тяги.

Момент создается массовыми силами лопастей, действующими на втулку.

Другие способы циклического управления.

Кроме непосредственного воздействия АП на лопасть, угол ее установки может изменяться с помощью действия АП на серворули, расположенные у задней кромки, или воздействием АП на сервовинг, который и свою очередь действует на несущий винт. Преимущества такой системы управления заключаются в том, что она препятствует передаче усилий с лопастей на управление и при соответствующем выборе параметров улучшает устойчивость вертолета.

3. Конструкции вертолетов

Лопасти несущих винтов. Лопасти обычных вертолетов имеют отношение длины к ширине около 15:1 или 14:1. Для лопастей большей частью применяются профили, имеющие небольшие коэффициенты момента, например, серии NACA 00 (NACA 0012, (Ю 15 и др.) или серии NACA 230 (23012, 23015).

Толщина профиля выбирается от 9 до 20%,более толстые сечения применяются для корневых частей лопасти.

Лопасти имеют различную форму в плане и различную крутку.

Наилучшей лопастью с аэродинамической точки зрения является лопасть, имеющая трапецевидную форму и крутку. Однако выгода от применения трапецевидных закрученных лопастей бывает невелика (она зависит от типа вертолета и его основного назначения), тогда соображения стоимости производства заставляют делать лопасти прямоугольными и отказываться от крутки.

1. Лопасти со стальным лонжероном и полотняной обшивкой. Большинство лопастей первых вертолетов имело такую конструкцию. Эти лопасти относительно просты в производстве, но имеют серьезные недостатки, выражающиеся в искажении их поверхности при работе и частом разрушении полотняной обшивки. Основным элементом конструкции таких лопастей является стальной лонжерон, обычно имеющий переменное сечение. Лонжероны изготовляются в виде одной сплошной ступенчатой трубы. Нервюры вырезаются из фанеры и прикрепляются к лонжерону металлическими хомутами. Хомуты приклепываются к нервюрам и крепятся к лонжерону с помощью точечной сварки или клея. Передняя кромка лопастей делается из твердого дерева-спруса или красного дерева, часто с включением металлической полосы для перемещения центра тяжести вперед. Передняя часть лопасти до лонжерона покрывается фанерой, остальная часть - полотном, которое пришивается к каждой нервюре. В нижней поверхности лопасти делаются вентиляционные отверстия для уменьшения внутреннего давления воздуха, которое образуется в результате действия центробежных сил.

2. Лопасти с фанерным покрытием. Недостатки лопастей с полотняным покрытием могут быть устранены в случае применения фанерного (вместо полотняного) покрытия при сохранении в остальном той же конструкции лопасти.

Однако лопасти с фанерным покрытием требуют квалифицированного ручного изготовления, следовательно, не приспособлены для массового производства и, кроме того, подвержены воздействию атмосферы.

3. Цельнодеревянные лопасти. Лопасти такой конструкции нашли широкое распространение. Они изготовляются путем склейки нескольких слоев древесины. Более тяжелое дерево применяется для передней части лопасти, а более легкое, такое, как бальза, -- для задней.

Цельнодеревянные лопасти просты в производстве, особенно если они имеют прямоугольную форму и постоянную толщину. Поверхность таких лопастей получается точной и гладкой. Недостатком цельнодеревянных лопастей является их большой вес и так же, как лопастей с полотняным и фанерным покрытием, подверженность воздействию плат и сравнительно быстрая изнашиваемость.

4. Металлические лопасти. Металлические лопасти в настоящее время производятся большинством фирм. Изготовляются они из листового материала или из прессованных элементов, обшитых листовым материалом. Наиболее простой в производстве, по-видимому, будет лопасть, образованная передней частью, прессованной в форме профиля сечения и являющейся по существу лонжероном, и задней, изготовленной из листового материала. Переднюю и заднюю части соединяют между собой с помощью потайных заклепок. Были изготовлены части лопастей, представляющие собой целое сечение лопасти, прессованное из одного куска металла. Можно полагать, что металлические лопасти получат наиболее широкое распространение на вертолетах.

Втулки несущих винтов. Втулка является основным элементом несущего винта и обычно представляет собой поковку из стали. Конструкция втулки зависит от разноса шарниров и числа лопастей. Обычно во втулке предусматривается место для игольчатых подшипников ГШ.

Управление несущим винтом. Управление несущим винтом обычно состоит из автомата-перекоса, передаточных тяг и рычагов, поворачивающих лопасти винта в осевых шарнирах. Автомат-перекос состоит из внутреннего невращающегося кольца и наружного кольца, вращающегося вместе с винтом. Наружное и внутреннее кольца связаны между собой легкими шарико- или роликоподшипниками. Внутреннее кольцо АП монтируется с помощью универсального шарнира так, что может перемещаться вдоль оси вала винта и наклоняться в любом направлении. Лопасти связываются с АП так, что угол их установки определяется наклоном плоскости АП. Присоединение тяг управления к лопастям производится обычно с таким расчетом, чтобы их маховое движение и движение в плоскости вращения не вызывало изменения угла установки.

Однако изменение угла установки лопасти при ее маховом движении имеет положительное значение и часто создается намеренно. Большие изменения угла установки при перемещении лопасти в плоскости вращения нежелательны, поэтому принимаются все меры, чтобы исключить это явление.

Система управления.

Ручка управления связана с АП таким образом, что наклоняет его плоскость в том же направлении, в котором она наклоняется сама. Рычаг общего шага перемещает весь АП вверх или вниз, сохраняя при этом наклон, заданный ручкой управления. Передаточное число между ручкой управления и лопастями таково, что при отклонении ручки на 25 мм угол установки лопасти изменяется на 1--2°.

У многовинтовых вертолетов управление винтами может осуществляться иначе. У вертолетов с поперечным расположением винтов АП могут иметь свободу наклона только в продольном направлении. Поперечное управление осуществляется перемещением АП вдоль осей валов, т. е. одновременным изменением угла установки всех лопастей, чем создается крен вертолета. Однако может применяться и комбинированное управление, когда одновременно происходит наклон АН в поперечном направлении и перемещение их вдоль осей валов. Сказанное относится и к вертолетам продольной схемы, где это касается продольного наклона АП.

Конструкции фюзеляжей.

К конструкции фюзеляжа вертолета предъявляются следующие требования:

1. Обтекаемая форма, обеспечивающая малое лобовое сопротивление.

2. Хороший обзор для летчика.

3. Место для размещения полезной нагрузки возможно ближе к оси несущего винта, чтобы избежать смещения наложения центра тяжести.

4. Удобные подходы к двигателю и трансмиссии.

5. Размещение хвостового винта или стабилизирующих поверхностей на соответствующем плече.



Фюзеляж вертолета

Чтобы получить возможность большего перемещения центра тяжести вдоль машины при данном диапазоне отклонения управления, а также улучшить управляемость, необходимо добиваться возможно более низкого положения центра тяжести вертолета относительно центра втулки несущего винта.

Посадочные устройства. На вертолетах применяются трех- и четырехколесные шасси. Конструкции вертолетных шасси подобны самолетным. Основное отличие заключается в относительно большем ходе поршня амортизатора для обеспечения более мягкой посадки. Для возможности посадки на любую поверхность изготовляются сменные шасси: баллонное шасси - для посадки на воду, землю и болото; санное шасси - для посадки с поступательной скоростью на неровную и вспаханную почву; лыжное шасси для посадки на снег и лед.

Трансмиссия. Трансмиссия обычно включает шестеренчатую передачу oт двигателя к несущему винту с передаточным отношением порядка 10:1. Планетарные передачи наиболее выгодны с точки зрения веса, но дороги и иногда производят много шума.

Часто применяется комбинация угловой и планетарной зубчатых передач. Трансмиссия включает в себя также муфту сцепления двигателя с несущим винтом, включаемую летчиком или с помощью центробежных грузов при достижении двигателем определенных оборотов. Кроме муфты сцепления, предусматривается еще муфта свободного хода, обеспечивающая возможность свободного вращения несущего винта после остановки двигателя. В одновинтовых вертолетах хвостовой винт связывается с несущим винтом так, что в случае остановки двигателя несущий винт продолжает вращать хвостовой винт.

Летные свойства вертолетов

Летные свойства вертолета включают летные характеристики, вибрационные и характеристики устойчивости и управляемости.

Ниже рассматривается качественная сторона характеристик вертолетов.

Летные характеристики. На висении мощность, подаваемая к несущему винту, расходуется на создание подъемной силы (эта мощность называется индуктивной) и на преодоление сопротивления лопастей при их вращении (эта мощность называется профильной).

Вертолетный несущий винт создает тягу, необходимую для поддержания вертолета в воздухе вследствие отбрасывания вниз значительной массы воздуха. Очевидно, что для такого отбрасывания воздуха должна затрачиваться мощность. Для вертолета данного веса эта мощность будет пропорциональна скорости отбрасываемой струи (индуктивной скорости). Индуктивная скорость, в свою очередь, зависит от массы отбрасываемого воздуха, которой сообщается кинетическая энергия. Винт большого диаметра может поднять данный вес при меньшей скорости отбрасывания, чем винт малого диаметра.

Мощность, затрачиваемая на преодоление профильного сопротивления лопастей, необходима для "протаскивания" этих лопастей сквозь воздух, являющийся вязкой жидкостью и создающий значительное трение.

У обычных вертолетов на висении индуктивные потери составляют 60--70% всей мощности, подводимой к несущему винту, а профильные - 30--40%. Для обеспечения висения вертолета двигатель должен давать достаточно мощности несущему и хвостовому винтам. Если к винту подается мощности больше, чем необходимо для преодоления профильных и индуктивных потерь, то вертолет будет набирать высоту.

При горизонтальном полете мощность необходима не только для возмещения индуктивных и профильных потерь винта, но и для преодоления сопротивления фюзеляжа при движении его сквозь воздух. Мощность, затрачиваемая на продвижение фюзеляжа в воздухе, растет пропорционально кубу скорости и становится значительной при больших скоростях полета. На одном из первых вертолетов половина мощности двигателя затрачивалась на преодоление сопротивления фюзеляжа при полете со скоростью 130 км/час.

При больших скоростях полета происходит срыв потока с лопастей на части диска несущего винта. Это вызывает вибрацию самого вертолета и его управления и увеличивает потери на профильное сопротивление. При косой обдувке винта лопасть, идущая в направлении его полета, встречает воздух с большей скоростью, чем лопасть, идущая в обратном направлении. Чтобы создать необходимую подъемную силу, лопасть, идущая в обратном направлении, работает при большем угле атаки, который должен увеличиваться с увеличением скорости полета. При некотором значении скорости полета угол атаки лопасти, идущей в обратном направлении, достигает критического значения, и тогда наступает срыв потока.

Указанного явления можно избежать, повысив число оборотов несущего винта, благодаря чему повысится максимальная скорость, на которой наступает срыв на возвращающейся лопасти. Но это приводит к другой неприятности -- скорость потока у лопасти, идущей вперед, возрастает при этом настолько, что начинает сказываться сжимаемость воздуха, увеличивается потребная для вращения винта мощность и возникают вибрации. Таким образом, пределами, ограничивающими максимальную скорость полета вертолета, являются, с одной стороны, срыв, с другой стороны, сжимаемость потока воздуха на лопастях. Трудно создать вертолет, обладающий скоростью более 320 км/час.

В случае отказа двигателя вертолет может планировать, при этом его несущий винт вращается так, как он вращается на автожирах,-- под действием набегающего потока (режим самовращения). При вертикальном снижении винт вертолета приблизительно так же тормозит скорость снижения, как парашют такого же диаметра. При планировании на наивыгоднейшем режиме самовращения вертолет спускается приблизительно вдвое медленнее, чем при вертикальном спуске на режиме самовращения; его скорость при этом лежит в пределах 4,5--6 м/сек. При приближении вертолета к земле летчик может, энергично взяв ручку на себя, "подорвать" вертолет, превратив энергию его поступательного движения в дополнительную подъемную силу. Таким образом, летчик может подвести вертолет к земле на очень небольшой скорости и совершить посадку с незначительной пробежкой. Кроме того, летчик может использовать энергию вращения несущего винта, увеличив перед посадкой общий шаг и создав таким образом дополнительную тягу.

Вибрации вертолетов. Не только управление, но и весь вертолет в целом подвержен действию вибраций, передающихся от несущего винта. Если предположить, что импульс возмущающих сил от каждой лопасти одинаковый, то частота колебаний будет равна числу оборотов или кратна числу лопастей. Вибрационные силы могут действовать в вертикальном, продольном или поперечном направлениях. Уменьшение вибрационных импульсов, идущих от лопастей, является главным образом вопросом правильного конструирования лопастей с учетом соответствующего распределения массовых и аэродинамических сил по лопасти. Влияние возмущающих импульсов на вибрацию вертолета зависит в значительной степени от собственных частот колебаний конструкции фюзеляжа. Если конструкция фюзеляжа имеет собственную частоту, например, изгибных или крутильных колебаний, совпадающую с частотой возбуждающей силы, то колебания вертолета могут достигнуть недопустимой величины. Уменьшение вибраций вертолета может быть достигнуто созданием конструкции, которая не имеет собственных частот, совпадающих с частотами возбуждающих сил, что является трудной задачей, так как последние покрывают широкий диапазон частот (3, 6, 9 и т. д. за оборот при трехлопастном несущем винте).

Устойчивость вертолетов. Висение на обычном вертолете требует специальной тренировки летчика. Летчик должен привыкнуть к высокой чувствительности управления в поперечном направлении. Незначительные перемещения ручки в поперечном направлении вызывают значительные крены машины, в результате чего получается как бы излишняя управляемость, ведущая к раскачке машины летчиком. С ростом диаметра несущего винта величина демпфирования, очевидно, будет возрастать и явление раскачки уменьшаться.

Обычный вертолет на висении реагирует на действие управления с некоторым запаздыванием. Это запаздывание не является результатом отставания несущего винта от ручки (винт почти мгновенно следует за ее движениями), а происходит потому, что несколько запаздывают изменение направления потока через несущий винт и соответствующее изменение положения фюзеляжа. При обучении летчик привыкает к запаздыванию реакции вертолета и координирует свои действия по управлению в соответствии с ускорениями, которые приобретает машина при отклонении рычагов управления.

Если вертолет вывести из равновесия на режиме висения при зажатой ручке, то он начнет совершать медленное колебательное движение с постепенно увеличивающейся амплитудой. Обычный вертолет на висении динамически неустойчив. Эта неустойчивость не причиняет летчику особых неприятностей, так как период колебаний достаточно большой, и летчик, действуя органами управления, спокойно парирует возникающие отклонения вертолета.

Имеется несколько способов стабилизации вертолета на режиме висения. Все эти способы основаны на использовании гироскопического эффекта.

При полете вперед вертолет может иметь нежелательные характеристики устойчивости.

При полете на малой скорости после взлета вертолет имеет тенденцию взмывать, резко задирая нос, и иногда требуется почти полное отклонение ручки вперед, чтобы восстановить нормальное положение. При полете на крейсерской скорости обычный вертолет большей частью имеет незначительную продольную неустойчивость, и летчику не представляет труда вовремя уловить и парировать управлением нежелательные отклонения машины. Эта неустойчивость является следствием слабого демпфирования несущего винта и его статической неустойчивости по углу атаки. Продольная неустойчивость возрастает с увеличением скорости полета, поэтому ликвидация продольной неустойчивости является в настоящее время одной из основных задач на пути создания вертолетов с хорошими летными качествами. Многие опытные и некоторые серийные вертолеты уже имеют устройства, которые увеличивают демпфирование продольных колебаний либо статическую устойчивость по углу атаки.

Большинство имеющихся в настоящее время вертолетов имеет определенную неустойчивость на некоторых режимах полета. Улучшение устойчивости и управляемости вертолетов является основной проблемой, на успешное решение которой сейчас направлены усилия конструкторов и научных организаций. Можно не сомневаться, что эта проблема в ближайшее время будет полностью решена.

Используемая литература

1. А. Гессоу, Г. Мейерс "Аэродинамика вертолета",1954;

2. А.И. Акимов "Аэродинамика и летные характеристики вертолетов",1988;

3. myrt.ru/inter/1105-vertolet.html/

Размещено на Allbest.ru

...