Содержание
Другие вертушки
Недавно французская компания Conseil & Technique запатентовала линзообразные роторы, которые предлагает ставить на аэротакси вместо привычных лопастных винтов, удерживающих в воздухе вертолеты. Французский проект — не единственная попытка доработать вертолетный винт: воздушный транспорт продолжает развиваться, и разработчики постоянно пытаются либо обойти ограничения классических лопастных винтов, либо «проапгрейдить» его, чтобы оснащенный им аппарат мог решать какие-то специфические задачи. Рассказываем, зачем нужны лопасти в виде сабель и насколько удачна идея установить на их концах реактивные сопла.
Напасти лопастей
Традиционно несущие винты винтокрылых летательных аппаратов — вертолетов, автожиров, конвертопланов — лопастные. Раскрученные лопасти захватывают воздух и отбрасывают его вниз, создавая над собой зону пониженного давления, а под собой — повышенного.
Таким образом создается подъемная сила для полета.
Несущие винты также оснащаются автоматами перекоса, которые позволяют менять угол атаки лопастей в зависимости от их положения в пространстве. Благодаря этому можно калибровать подъемную силу несущего винта внутри окружности, описываемой лопастями. Так на винте формируется движущая сила, которая обеспечивает горизонтальный полет винтокрылой технике. Чтобы сдвинуть вертолет вперед, вам нужно увеличить подъемную силу винта сзади и уменьшить спереди, и наоборот.
На вертолетах, в отличие от винтовых самолетов, несущие винты вращаются с постоянной частотой, а скорость и высота полета меняются за счет изменения угла установки лопастей. Это меняет сопротивление винта, и чтобы поддерживать частоту его вращения, нужно регулировать подаваемую двигателем мощность.
В целом увеличение угла установки лопастей приводит к росту подъемной силы и скорости движения аппарата, однако происходить бесконечно это не может.
У лопастных винтов есть несколько серьезных ограничений, которые и пытаются обойти разработчики альтернативных конструкций. Одно из них — одновременные срыв потока, волновой кризис и обратное обтекание. Дело в том, что во время горизонтального полета лопасти воздушного винта с одной стороны движутся навстречу воздушному потоку, а с другой — по его направлению. В результате этого подъемная сила на правом и левом секторах винта не равны.
В зависимости от конструкции вертолета в горизонтальном полете может случиться так, что линейная скорость внешней части лопастей во встречном воздушном потоке будет околозвуковой, а в исключительных случаях и сверхзвуковой. Это может приводить к резкому падению подъемной силы на этих участках лопастей и неконтролируемым вибрациям.
Одновременно на внешних частях лопастей, движущихся против направления горизонтального полета, будет происходить срыв воздушного потока, то есть увеличение турбулентного течения на них.
Это также приводит к снижению подъемной силы и вибрациям (флаттеру). В некоторых случаях они могут приводит к разрушению винта или, если вертолет выполнен по соосной схеме, к перехлесту лопастей двух вращающихся в противоположных направлениях винтов.
Наконец, внутренняя часть лопастей несущего винта, расположенная ближе к валу и движущаяся по направлению воздушного потока, будет испытывать обратное обтекание. Это будет происходить из-за скорости воздушного потока, превышающей скорость лопасти. В результате воздушный поток будет попадать на лопасть с противоположной стороны, создавая обратную подъемную силу (грубо говоря, в этой части винт перестает тянуть вверх и начинает давить вниз).
Помимо этих трех факторов, несущие винты вертолетной техники могут сталкиваться еще с одним опасным явлением — вихревым кольцом. Такое явление может возникать вблизи земли, например, при взлете или посадке. В этом случае воздух, отбрасываемый воздушным винтом вниз, отражается от земной поверхности вверх и снова затягивается несущим винтом.
При этом доля ламинарного течения воздуха на лопастях снижается, а доля турбулентного — увеличивается. В результате, на несущем лопастном агрегате возникают вибрации, а его эффективность резко снижается, причем увеличение угла установки лопастей или мощности на валу практически не дают никаких результатов. В лучшем случае вертолет, попавший в вихревое кольцо, совершает жесткую посадку.
Для преодоления этих явлений разработчики несущих винтов используют разнообразные конструкции, включая закручивание лопастей вдоль их оси для создания равномерной подъемной силы на всем их протяжении, установку небольших закрылков, похожих на самолетные, в задней части лопастей для более эффективного контроля над подъемной силой и каплевидную или саблевидную форму законцовок лопастей, что позволяет отсрочить возникновение флаттера и снижение эффективности лопасти при приближении ее линейной скорости к околозвуковой.
Линзообразные роторы
Участки лопастей, расположенные ближе к валу, движутся относительно воздушного потока с меньшей линейной скоростью, чем внешние участки — и потому создают меньше подъемной силы.
От общей подъемной силы, создаваемой воздушным винтом, только 30 процентов приходятся на внутреннюю часть лопастей. Учитывая это, французская компания Conseil & Technique предложила пересмотреть конструкцию роторов.
Согласно предложению французских разработчиков, 70 процентов внутреннего круга несущего винта следует заменить диском. Оставшуюся часть несущего винта французы предложили выполнить в виде коротких лопастей. По предварительным расчетам, такая замена приведет к потере 30 процентов подъемной силы при взлете и посадке, однако они будут с лихвой компенсированы тем, что в горизонтальном полете на нем возникает подъемная сила — и он таким образом выполняет роль крыла.
Conseil & Technique уже испытала малоразмерные прототипы линзообразных роторов в аэродинамической трубе. По заявлению разработчиков, испытания показали, что линзообразный ротор при вертикальных взлете и посадке показал эффективность, сопоставимую с лопастным воздушным винтом, но был существенно тише.
При этом на лопастях ротора не происходило срыва воздушного потока при углах атаки до 25 градусов. Для сравнения, у традиционных лопастных винтов угол атаки лопастей может изменяться от 0 до 15 градусов.
Французская компания предложила использовать линзообразные роторы в городских летательных аппаратах и подготовила эскизный проект 19-местного аэротакси с шестью роторами на выносных балках и хвостовым четырехлопастным толкающим винтом. Такое аэротакси с максимальной взлетной массой девять тонн сможет выполнять полеты на скорости до 200 километров в час на расстояние до тысячи километров.
DiscRotor
В начале 2000-х годов концерн Boeing в рамках программы по разработке скоростного винтокрылого летательного аппарата предложил концепцию несущего винта DiscRotor, который в полете выполнял бы роль крыла. Несущий винт выглядел как вращающаяся тарелка, занимающая значительную часть его плоскости, и четыре широких телескопические лопасти.
С разложенными лопастями воздушный винт выполнял роль обычного лопастного винта, обеспечивая вертикальные взлет и посадку.
А при переходе в режим быстрого горизонтального полета лопасти должны были втягиваться в тарелку, уменьшая таким образом лобовое сопротивление всей конструкции. Сама тарелка останавливала свое вращение, а аппарат удерживался в воздухе уже за счет подъемной силы крыльев. Перед посадкой или при переходе к режиму висения тарелка снова раскручивалась и выдвигала из себя лопасти.
DiscRotor планировалось использовать на скоростном винтокрылом летательном аппарате, выполненном по самолетной схеме высокоплана. На крыле летательного аппарата разработчики предложили разместить два вентилятора, приводимых в движение двумя турбовальными двигателями. Последние имели традиционное для вертолетов расположение над фюзеляжем.
Трансмиссию летательного аппарата с DiscRotor планировалось сделать переключаемой.
При взлете и посадке она бы передавала мощность двигателей на вал несущего винта, а после взлета постепенно уменьшала бы ее на винте (вплоть до остановки последнего) и увеличивала на вентиляторах. Согласно эскизному проекту, винтокрылый летательный аппарат с DiscRotor был бы способен выполнять полеты на скорости до 400 узлов (около 741 километра в час). Боевой радиус машины составил бы 741 километр с грузом массой до 1,1 тонны.
X-Wing
В 1970-х годах американская компания Sikorsky предложила концепцию несущего винта X-Wing, так называемого ротор-крыла. Внешне этот несущий винт похож на традиционный лопастной ротор с четырьмя лопастями. При этом сами лопасти существенно шире, чем традиционные. При взлете и при наборе скорости ротор-крыло должно было вращаться, как обычный несущий винт, а в горизонтальном полете останавливалось и выполняло роль обычного самолетного крыла.
К 1976 году компания Sikorsky построила два прототипа винтокрылых летательных аппаратов с X-Wing — S-72.
Они были созданы на базе многоцелевого вертолета UH-60 Blackhawk.
Машины получили по два газотурбинных двигателя для приведения в движение ротор-крыла и вращения рулевого винта через редуктор, низкорасположенное крыло размахом 18,9 метра и по два турбореактивных двигателя, расположенных над ним.
В 1976 году один из прототипов совершил первый полет, правда без ротор-крыла — конструкторы отрабатывали на S-72 аэродинамическую компоновку и различные способы управления.
Позднее один из прототипов получил ротор-крыло. Выкатка модернизированного аппарата состоялась в 1986 году, однако в воздух он так и не поднялся. Заказчики проекта — NASA и Агентство перспективных оборонных разработок — посчитали проект слишком сложным и дорогостоящим.
Реактивный винт
Традиционно в вертолетной технике несущий винт приводится в движение двигателями с помощью трансмиссии. В 1950-х годах британская компания Percival Aircraft Company предложила иную конструкцию — реактивный несущий винт.
Этот агрегат был очень похож на традиционный несущий винт и имел три лопасти. При этом винт не имел никакой связи с двигателями, его вращение обеспечивалось реактивными соплами на законцовках лопастей.
Во время работы двигателей их газовый поток направлялся в воздуховод к несущему винту, а затем выдувался через сопла на лопастях. Таким образом возникал реактивный момент, который и раскручивал несущий винт. Автомата перекоса на винте не было — угол атаки лопастей регулировался при помощи небольших элеронов.
Такой винт британские разработчики использовали в прототипе вертолета Percival P.74. Летательный аппарат получил фюзеляж каплеобразной формы со значительной округлой носовой частью и небольшой заостренной хвостовой. В хвостовой части был установлен небольшой толкающий воздушный винт, который вносил небольшой вклад в создание движущей силы и несколько стабилизировал вертолет в горизонтальном полете.
Несущий винт P.74 приводился в движение двумя газотурбинными двигателями, расположенными в подполье фюзеляжа.
Газовый поток от них передавался несущему винту по воздуховоду. Хотя такая конструкция была относительно простой технически (ни трансмиссии, ни автомата перекоса), она имела существенный недостаток — воздуховоды проходили сквозь грузопассажирское отделение, из-за чего в нем было очень шумно и жарко.
В 1956 году Percival Aircraft Company собрала один летный прототип вертолета с реактивным винтом и провела его наземные испытания. Поднять в воздух машину не удалось, поскольку газотурбинные двигатели вертолета не смогли развить необходимую для взлета мощность. Разработчики пытались исправить конструкцию и даже сумели практически поднять машину в воздух, однако взлет был прерван из-за нестабильной работы двигателей и плохой управляемости.
Следует отметить, что в 1950-х годах тема реактивных роторов была очень популярна. Несколько разработчиков, включая конструкторское бюро Миля, Dornier, Focke-Wulf, Fairey Aviation Company и Sud-Ouest, создавали такие несущие винты. В частности, советское конструкторское бюро Миля предложило прототип многоцелевого вертолета В-7 с несущим винтом, на концах лопастей которого были установлены небольшие турбореактивные двигатели АИ-7.
Василий Сычёв
Вертолетный винт
На вертолете несущий винт или несущая система представляет собой комбинацию нескольких поворотных крыльев ( лопастей несущего винта ) с системой управления, которая создает аэродинамическую подъемную силу, поддерживающую вес вертолета, и тягу , противодействующую аэродинамическому сопротивлению при прямом полете. . Каждый несущий винт установлен на вертикальной мачте над верхней частью вертолета, в отличие от хвостового винта вертолета , который соединяется через комбинацию приводного вала (валов) и редукторов вдоль хвостовой балки. Шаг лезвияобычно контролируется пилотом с помощью органов управления полетом вертолета . Вертолеты являются одним из примеров винтокрылых летательных аппаратов ( винтокрылов ). Название происходит от греческих слов helix , helik-, что означает спираль; и птерон означает крыло.
Ротор вертолета приводится в движение двигателем через трансмиссию на вращающуюся мачту.
Мачта представляет собой цилиндрический металлический вал, который проходит вверх от трансмиссии и приводится в движение ею. В верхней части мачты находится точка крепления (в просторечии называемая гайкой Иисуса ) для лопастей несущего винта, называемая ступицей. Лопасти ротора затем прикрепляются к ступице, и ступица может иметь сопротивление в 10-20 раз большее, чем лопасти. [1]Системы несущего винта классифицируются в зависимости от того, как лопасти несущего винта крепятся и перемещаются относительно втулки несущего винта. Существует три основных классификации: жесткие, полужесткие и полностью сочлененные, хотя в некоторых современных роторных системах используется комбинация этих классификаций. Ротор представляет собой точно настроенную вращающуюся массу, а различные тонкие регулировки уменьшают вибрации при разных скоростях полета. [2] Несущие винты предназначены для работы на фиксированных оборотах [3] [4] [5] (в узком диапазоне нескольких процентов), [6] [7] , но в нескольких экспериментальных самолетах использовались несущие винты с регулируемой скоростью .
[8]
В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, несущий винт вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость нисходящего потока при заданной величине тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, [9] [10] низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) значительно увеличивает скорость полета самолета. энергоэффективность, и это снижает потребление топлива и обеспечивает разумный диапазон. [11] [12] Эффективность висения («показатель качества») [13] типичного вертолета составляет около 60%. [14]Внутренняя треть длины лопасти несущего винта очень мало способствует подъемной силе из-за ее низкой воздушной скорости. [10]
Лопасти вертолета представляют собой длинные узкие аэродинамические поверхности с высоким удлинением , форма которых сводит к минимуму сопротивление концевых вихрей (для сравнения см.
Крылья планера ) . Как правило, они содержат некоторую степень вымывания , которая уменьшает подъемную силу, создаваемую на концах, где воздушный поток самый быстрый, и образование вихрей может быть серьезной проблемой. Лопасти ротора изготавливаются из различных материалов, включая алюминий, композитную конструкцию, сталь или титан , с абразивными экранами вдоль передней кромки.
Лопасти винтокрылых машин традиционно пассивны; однако на лопастях некоторых вертолетов есть активные компоненты. Kaman K-MAX использует закрылки на задней кромке для управления шагом лопастей, а Hiller YH-32 Hornet приводился в движение прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей. По состоянию на 2010 год ведутся исследования активного управления лопастями с помощью закрылков задней кромки. [15] Кончики лопастей некоторых вертолетов могут быть специально разработаны для снижения турбулентности и шума и обеспечения более эффективного полета. Примером таких наконечников являются наконечники роторов BERP , созданные в рамках Британской экспериментальной программы роторов.
Bell AH-1 SuperCobra с полужесткой несущей системой
Схема полностью шарнирной головки несущего винта
Bell 205 с полужестким ротором и стабилизатором поперечной устойчивости.
Полужесткая головка несущего винта с маховым стержнем
Antitorque : эффект крутящего момента на вертолете
Фенестрон на EC 120B
МД Вертолеты 520Н НОТАР
Боинг CH-47 Чинук
Камов Ка-50 ВВС России, с соосными несущими винтами
Вертолет де Ботезата , фото 1923 г.
Эффект Коппа – Этчеллса
Первый автожир, который успешно летал в 1923 году, был изобретен Хуаном де ла Сьервой .
Конфигурация роторных систем вертолета | SKYbrary Aviation Safety
Определения
Вертолет — это летательный аппарат тяжелее воздуха, поддерживаемый в полете главным образом реакцией воздуха на один или несколько несущих винтов с механическим приводом.
Автожир — это летательный аппарат тяжелее воздуха, поддерживаемый в полете за счет реакции воздуха на один или несколько свободно вращающихся винтов.
Описание
Несущий винт обеспечивает подъемную силу, которую можно использовать для удержания самолета в воздухе и создания тяги. Несущий винт также может противодействовать крутящему моменту (хвостовой винт).
Со временем было реализовано несколько конструкций и конфигураций ротора.
Одинарный несущий винт
Вертолеты с одним несущим винтом являются наиболее распространенным типом вертолетов. Им необходимо устройство, препятствующее крутящему моменту (хвостовой винт или другая система, препятствующая крутящему моменту), чтобы противодействовать крутящему моменту, создаваемому несущим винтом, который приводится в движение один или несколько двигателей. В вертолете с одним несущим винтом часть мощности, генерируемой силовой установкой (установками), используется для противодействия крутящему моменту.
Наиболее распространенным устройством для предотвращения крутящего момента является хвостовой винт, который предназначен для компенсации крутящего момента, создаваемого несущим винтом.
Вертолет EC25 с одним несущим винтом
Тандемный винт (или двойной винт)
Вертолет с тандемным винтом имеет две системы несущих винтов и не имеет хвостового винта. Обычно задний ротор устанавливается выше, чем передний ротор, и оба предназначены для предотвращения столкновения лопастей, если они изгибаются на пути другого ротора. Диски несущего винта слегка наклонены друг к другу, чтобы обеспечить управление по вертикальной оси во время висения. Эта конфигурация, которая в основном используется для более крупных вертолетов, имеет то преимущество, что может выдерживать больший вес с более короткими лопастями. Меньшая площадь диска ротора компенсируется наличием двух роторов. Функцию противодействия крутящему моменту выполняют роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, каждый из которых компенсирует крутящий момент другого, поэтому вся мощность силовых установок используется для подъема.
Тандемные вертолеты, как правило, мощные и быстрые. Конструкция привода и системы управления сложнее, чем у вертолета с одним несущим винтом.
Вертолет Ch57 Chinook с тандемными несущими винтами
Соосные
Соосные несущие винты представляют собой два несущих винта, установленных на одной мачте, имеющих одну и ту же ось вращения, но вращающихся в противоположных направлениях, один над другим. Управление по вертикальной оси осуществляется за счет разной подъемной силы и, следовательно, разного крутящего момента двух дисков ротора. Вертолет будет отклоняться влево, если ротор, вращающийся по часовой стрелке, создает большую подъемную силу, и он будет отклоняться вправо, если ротор, вращающийся против часовой стрелки, создает большую подъемную силу. Сопротивление, создаваемое несущими винтами, довольно велико из-за интерференции воздушных потоков, поэтому эти вертолеты обычно не имеют высокой крейсерской скорости. Установка роторов ближе друг к другу, что возможно только с жесткими роторами, снижает создаваемое сопротивление.
Камов Ка-50 «Черная акула» с характерной соосной системой несущих винтов
Сцепление несущих винтов (синхроптер)
Вертолет с двумя вращающимися в противоположных направлениях несущими винтами, установленный на двух мачтах, слегка наклоненных друг к другу, так что лопасти intermesh (без столкновений), называется синхроптером. Два ротора зацепляются друг с другом, как зубчатое колесо. Эта конфигурация не требует хвостового винта, так как действие против крутящего момента осуществляется за счет вращения винтов в противоположных направлениях. Синхроптеры обладают высокой устойчивостью и мощной грузоподъемностью.
Синхроптер KAMAN K-1200 K-Max
Бок о бок
В конфигурации бок о бок два горизонтальных винта, вращающихся в противоположных направлениях, устанавливаются бок о бок на вертолете (или поперечном винтокрылом аппарате). Эффект противодействия крутящему моменту обеспечивается противоположным вращением двух несущих винтов.
Конфигурация «бок о бок» — это одна из возможных конфигураций полета самолета с поворотным винтом, когда несущие винты находятся в вертикальном положении для обеспечения вертикальной подъемной силы.
Наклонный несущий винт
Несущие винты установлены на краях крыльев на гондолах, которые вращаются для перевода несущих винтов из вертикального положения (для обеспечения вертикальной подъемной силы, как у вертолета с конфигурацией боковых винтов) в горизонтальное положение. (где они обеспечивают горизонтальную подъемную силу или тягу, как в самолетах). И подъемная сила, и тяга затем генерируются роторами, которые действуют как несущие винты вертолета в вертикальном положении и как пропеллеры самолета в горизонтальном положении. Затем подъемная сила обеспечивается неподвижными крыльями.
Вертолет с наклонным ротором Boeing V-22
Составной вертолет
Составной вертолет — это гибридный летательный аппарат, который действует как самолет и вертолет.
Он способен развивать более высокие скорости, чем обычный вертолет. Пропеллеры обеспечивают тягу и приводятся в движение силовыми установками, которые также приводят в движение несущий винт. Во время висения и полета на более низкой скорости несущий винт обеспечивает подъемную силу и тягу самолета. На более высоких скоростях тяга обеспечивается винтом (винтами), в то время как несущий винт замедляется (или работает в режиме авторотации — как гиродин), чтобы избежать сопротивления наступающей кромки лопасти, и разгружается, чтобы избежать срыва лопасти при отступлении. Тогда большая часть вертикальной подъемной силы обеспечивается небольшими неподвижными крыльями.
Связанные статьи
- Жесткий ротор
- Авторотация
- Вихревое кольцо
- Сервопрозрачность
- Гиродин
| Рис. 2. При подвесном роторе центр тяжести (ЦТ) остается примерно в одном и том же месте относительно мачты до и после наклона ротора |
Чтобы справиться с этим ограничением, необходимо лишь умеренное усиление в основании лезвия. Проще говоря, нижняя подвеска эффективно устраняет геометрический дисбаланс. [Рисунок 2]
Удары мачты являются результатом чрезмерного взмаха несущего винта. Каждая конструкция роторной системы имеет максимальный угол взмаха крыльев. Если взмахи превышают расчетное значение, статический упор коснется мачты. Статический упор является компонентом несущего винта, обеспечивающим ограниченное перемещение лямок и контурную поверхность между мачтой и ступицей. Жесткий контакт между статическим упором и мачтой во время полета приводит к повреждению или отделению мачты. Этого контакта следует избегать любой ценой.
Рисунок 3. Четырехлопастный бесшарнирный (жесткий) несущий винт. Лопасти ротора изготовлены из материала, армированного стекловолокном. Ступица выполнена из цельного куска кованого жесткого титана |
Жесткая система несущего винта очень чувствительна и обычно не подвержена ударам мачты, как полужесткие или шарнирные системы, поскольку втулки несущих винтов жестко закреплены на мачте несущего винта. Это позволяет ротору и фюзеляжу двигаться вместе как единое целое и устраняет большую часть колебаний, обычно присутствующих в других системах ротора. Другие преимущества жесткого ротора включают снижение веса и сопротивления втулки ротора, а также больший машущий рычаг, что значительно снижает затраты на управление. Без сложных шарниров роторная система становится намного надежнее и проще в обслуживании, чем роторы других конфигураций. Недостатком этой системы является качество езды в турбулентном или порывистом воздухе. Поскольку нет шарниров, помогающих поглощать большие нагрузки, вибрации в кабине ощущаются гораздо сильнее, чем при других конструкциях головок ротора..jpg)
Существует несколько вариантов трех основных конструкций головки ротора. Безподшипниковая роторная система тесно связана с шарнирно-сочлененной роторной системой, но не имеет подшипников или шарниров. Эта конструкция основана на структуре лопастей и ступицы, чтобы поглощать напряжения. Основное различие между жесткой роторной системой и безопорной системой заключается в том, что безопорная система не имеет флюгерного подшипника — материал внутри манжеты скручивается под действием рычага изменения шага. Почти все безподшипниковые втулки ротора изготовлены из волокнистых композитных материалов. Различия в обращении между типами роторной системы представлены на рис. 4.
| Тип системы | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|
| Шарнирная | Высокое аэродинамическое сопротивление. Более сложный, более дорогой. | |
| Полужесткая (качающаяся, подвесная или маятниковая) | Простой и удобный ангар благодаря двум лопастям | Реакция на управление не такая быстрая, как у шарнирно-сочлененной головки. Вибрация может быть выше, чем у многолопастных шарнирных систем. |
| Жесткий | Простая конструкция, четкий отклик | Более высокая вибрация, чем у шарнирного ротора. |
Рис. 4. Различия в обращении между типами роторной системы
Полностью шарнирно-сочлененная роторная система вверх и вниз вокруг установленного на борту шарнира) независимо от других лопастей и оперения (поворот вокруг оси тангажа для изменения подъемной силы). [Рисунки 5 и 6] Каждое из этих движений лезвия связано с другими. Полностью сочлененные несущие системы используются на вертолетах с более чем двумя лопастями несущего винта.
| Рис. 5. Шарнир опережения/запаздывания позволяет лопасти винта перемещаться вперед и назад в плоскости |
Рис. 6. Полностью шарнирная ступица |
По мере вращения несущего винта каждая лопасть реагирует на входные данные системы управления, чтобы обеспечить управление самолетом. Центр подъемной силы всей несущей системы перемещается в ответ на эти входные данные, вызывая тангаж, крен и движение вверх. Величина этой подъемной силы основана на коллективном входе, который одновременно изменяет шаг всех лопастей в одном и том же направлении. Расположение этой подъемной силы основано на данных пилота о тангаже и крене. Следовательно, угол оперения каждой лопасти (пропорциональный ее собственной подъемной силе) изменяется по мере ее вращения вместе с несущим винтом, отсюда и название «циклическое управление».
По мере увеличения подъемной силы данной лопасти она стремится подняться вверх. Маятниковый шарнир лопасти допускает это движение и уравновешивается центробежной силой веса лопасти, которая пытается удержать ее в горизонтальной плоскости.
[Рис. 7]
быть размещены. Центробежная сила номинально постоянна; однако на силу взмаха влияет серьезность маневра (скорость набора высоты, скорость движения вперед, полная масса самолета). Когда лезвие взмахивает, его центр тяжести изменяется. Это изменяет локальный момент инерции лопасти по отношению к несущей системе и ускоряет или замедляет ее по отношению к остальным лопастям и всей несущей системе. Это обеспечивается шарниром опережения/отставания или сопротивления, показанным на рисунке 8, и его легче визуализировать с помощью классического изображения «фигурист, делающий вращение». Когда фигурист перемещает руки внутрь, он вращается быстрее, потому что его инерция изменяется, но его общая энергия остается постоянной (пренебрегая трением в целях этого объяснения). И наоборот, когда ее руки вытягиваются, ее вращение замедляется. Это также известно как сохранение углового момента. Плоскостный демпфер обычно смягчает движение опережения/отставания.
Прохождение одной лопасти через один оборот, начиная с некоторого нейтрального положения, по мере увеличения нагрузки из-за увеличения пера ing, он взмахивает крыльями и летит вперед. По мере того, как он продолжает движение, он машет крыльями и отстает назад. В самой низкой точке нагрузки он находится в самом низком положении закрылков, а также в самом «заднем» положении запаздывания. Поскольку ротор представляет собой большую вращающуюся массу, он ведет себя как гироскоп. Следствием этого является то, что управляющий ввод обычно реализуется на прикрепленном теле в позиции 9.0° до смещения управляющего входа по оси вращения. Это учитывается конструкторами путем размещения управляющего входа в системе ротора таким образом, что передний ввод ручки циклического управления приводит к номинальному движению самолета вперед. В старых конструкциях петель использовались обычные металлические подшипники. Благодаря базовой геометрии это исключает одновременное колебание и шарнир опережения/отставания и является причиной периодического обслуживания. В новых роторных системах используются эластомерные подшипники, устройства из резины и стали, которые могут обеспечивать движение по двум осям. Помимо решения некоторых из вышеупомянутых кинематических проблем, эти подшипники обычно находятся в сжатом состоянии, их можно легко осмотреть, и они устраняют потребность в техническом обслуживании, связанном с металлическими подшипниками. Эластомерные подшипники по своей природе отказоустойчивы, их износ постепенен и заметен. В этой конструкции устранены контакт металла с металлом старых подшипников и потребность в смазке. Тандемный винт Тандемный винт (иногда называемый двойным винтом) Вертолеты имеют два больших горизонтальных узла ротора; система с двумя винтами вместо одного основного узла и хвостовой винт меньшего размера.
Коаксиальные роторы 90 097 Система соосных роторов представляет собой пару роторов, установленных на одном валу, но вращающихся в противоположных направлениях. Сцепляющиеся винты Система сцепляющихся винтов представляет собой набор из двух винтов, вращающихся в противоположных направлениях, при этом каждый несущий винт установлен на вертолете под небольшим углом, поэтому лопасти входят в зацепление без столкновения. Эта конструкция также устраняет необходимость в системе антикрутящего момента, которая обеспечивает большую подъемную мощность двигателя. Однако ни один из роторов не поднимается строго вертикально, что снижает эффективность каждого ротора. |
Эффект сделан прозрачным для пилота.
[Рисунок 9] Вертолетам с одним винтом нужна система ограничения крутящего момента, чтобы нейтрализовать крутящий момент, создаваемый одним большим винтом. Однако вертолеты с тандемным ротором используют роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, каждый из которых компенсирует крутящий момент другого. Лопасти несущего винта, вращающиеся в противоположных направлениях, не будут сталкиваться и разрушать друг друга, если они изгибаются на пути движения другого несущего винта. Эта конфигурация также имеет то преимущество, что может выдерживать больший вес с более короткими лезвиями, поскольку имеется два набора. Кроме того, вся мощность двигателей может использоваться для подъема, тогда как вертолет с одним ротором использует мощность для противодействия крутящему моменту.
Эта конструкция устраняет необходимость в рулевом винте или других механизмах, препятствующих крутящему моменту, а поскольку лопасти вращаются в противоположных направлениях, исключаются эффекты асимметрии подъемной силы. Основным недостатком соосных роторов является повышенная механическая сложность роторной системы. Многие российские вертолеты, такие как Каман Ка-31 и Ка-50, а также экспериментальный Sikorsky X2 используют соосную конструкцию несущего винта.