книги / Теория вертолета. Кн. 1

увг — поперечное смещение втулки;

г — аппликата в невращающейся системе координат на диске несущего винта (положительна, когда отсчитывается вверх); отклонение сечения в

ред);

ложителен при наклоне в сторону отступающей лопасти);

у== рас^/1д — массовая характеристика лопасти;

Г— циркуляция присоединенного вихря;

£— угол качания (положителен, когда лопасть от­ клоняется противоположно вращению);

Сконстр — конструктивный угол отставания;

координат (общее число N); с — набор высоты или спуск;

ПУ — плоскость управления;

в— режим вцсения;

Ш— шоскость вращения;

— индуктивный;

т— номер лопасти (от 1 до N ) ; н.в — несущий винт;

ППУ — плоскость постоянных углов установки; О — профильный; вр — вредный;

р— производная устойчивости вертолета по угловой скорости крена;

ц— производная устойчивости вертолета по угловой

скорости тангажа; г — производная устойчивости вертолета по угловой

скорости рыскания;

ПКЛ — плоскость концов лопастей; р.в — рулевой винт;

и— производная устойчивости вертолета по про­ дольной скорости;

v — производная устойчивости вертолета по попереч­ ной скорости;

w — производная устойчивости вертолета по верти­ кальной скорости;

Р— аэродинамическая сила, обусловленная углом взмаха лопасти;

Р— аэродинамическая сила, обусловленная ско­ ростью махового движения лопасти или угловым

перемещением втулки;

£— аэродинамическая сила, обусловленная углом качания лопасти;

£— аэродинамическая сила, обусловленная ско­

ростью качания лопасти или рысканием втулки; 0 — аэродинамическая сила, обусловленная углом

установки лопасти; 0 — аэродинамическая сила, обусловленная ско­

ростью установочного (по углу установки лопа­ сти) движения;

Я— аэродинамическая сила, обусловленная верти­ кальной скоростью втулки или возмущением ин­ дуктивной скорости;

р— аэродинамическая сила, обусловленная ско­

к/л, а инерционные характеристики вертолета —

кNIn/2).

I

Введение

1.1. ВЕРТОЛЕТ

Вертолет — это летательный аппарат, в котором для созда­ ния подъемной и пропульсивной сил, а также для управления используются вращающиеся крылья. На рис. 1.1—1.3 показаны наиболее распространенные типы вертолетов. Лопасти несущего винта вращаются вокруг вертикальной оси, ометая диск в го­ ризонтальной или почти горизонтальной плоскости. Аэродина­ мические силы возникают вследствие движения крыла относи­ тельно воздуха. Вращающиеся крылья вертолета могут созда­ вать эти силы даже тогда, когда скорость самого аппарата равна нулю. В этом отличие вертолета от летательного аппарата с фиксированными крыльями, который для того, чтобы держаться в воздухе, должен перемещаться. Таким образом, вертолет спо­ собен совершать вертикальный полет, включая вертикальные взлет и посадку. Эффективность вертикального полета — важ­ нейшая характеристика несущего винта вертолета.

Несущий винт должен эффективно создавать силу тяги, рав­ ную весу вертолета. Под эффективностью вертикального поле­ та понимается малая величина отношения мощности, потребля­ емой несущим винтом, к создаваемой им силе тяги, так как мощность силовой установки и расход топлива пропорциональ­ ны потребляемой мощности. Для винтокрылых аппаратов высо­ кая эффективность вертикального полета обусловлена малой нагрузкой на диск (отношение силы тяги винта к площади ди­ ска, отметаемого лопастями). По теореме импульсов,подъемная сила несущего винта создается путем ускорения воздуха вниз, так как подъемной силе соответствует равная ей и противопо­ ложно направленная реакция, с которой лопасти воздействуют на воздух. Следовательно, воздух в следе несущего винта об­ ладает кинетической энергией, на образование которой при уста­ новившемся горизонтальном полете должна быть затрачена мощность силовой установки вертолета. Это индуктивная мощ­ ность; она составляет абсолютный минимум мощности, требу­ емой для устойчивого полета, и ее затраты необходимы как для фиксированных, так и для вращающихся крыльев. Установлено, что для винтокрылых аппаратов на режиме висения затраты индуктивной мощности на единицу силы тяги пропорциональны корню квадратному из нагрузки на диск. Следовательно,

Рис. 1.2. Вертолет одновинтовой схемы с двухлопастным несущим винтом.

эффективность создания силы тяги возрастает с уменьшением нагрузки на диск. При заданном полетном весе индуктивная мощность обратно пропорциональна радиусу несущего винта, поэтому для вертолетов характерны несущие винты большого диаметра с большой площадью диска. Для вертолетов типич­ ные значения нагрузки на диск изменяются в пределах от 100 до 500 Па. Винты малого диаметра используются в авиацид главным образом как движители (пропеллеры, винты турбовен­ тиляторных двигателей и др.). В этих случаях приемлема боль­ шая нагрузка на диск, так как винт работает при большой осе­ вой скорости, а сила тяги составляет только часть полетного веса. Однако использование винтов с большой нагрузкой на диск для создания подъемной силы резко снижает эффективность вертикального полета: увеличивается потребная мощность сило­ вой установки и сильно сокращается возможная продолжитель­ ность висения. Среди всех аппаратов вертикального взлета и по­ садки (АВВП) вертолет имеет наименьшую нагрузку на диск, а значит, способен наиболее эффективно совершать вертикальный полет. Таким образом, вертолет можно определить как летатель­ ный аппарат, в котором для создания подъемной силы исполь­ зуются малонагруженные винты большого диаметра.

Однако вертолет должен летать и горизонтально. Поэтому требуется средство для создания пропульсивной силы, преодо­ левающей сопротивление несущего винта и всего аппарата при полете вперед. Эта пропуЛьсивная сила создается, по крайней мере на малых скоростях полета, самим несущим винтом за счет наклона вперед вектора силы тяги. Кроме того, несущий винт может создавать силы и моменты, которые передаются аппарату и используются для управления его положением, вы­ сотой и скоростью полета. На самолете подъемную, пропульсивную и управляющие силы создают отдельные аэродинамические поверхности. На вертолете же все эти силы порождает несущий винт.

Способность совершать вертикальный полет достигается оп­ ределенной ценой, которая должна быть оправдана выигрышем от применения АВВП для выполнения поставленной задачи. Цель конструктора состоит в том, чтобы спроектировать лета­ тельный аппарат, который будет выполнять требуемые операции при минимальных затратах на его поддержание в воздухе. Для поддержания АВВП в воздухе требуется большая мощность, чем у самолета. Этот фактор влияет на стоимость аппарата и на стоимость полета. Для передачи мощности от двигателя на несущий винт с малой частотой вращения и большим крутящим моментом требуется большой редуктор. Тот факт, что несущий винт — сложная механическая система, увеличивает стоимость аппарата и эксплуатационные расходы. Кроме того, несущий винт является источником вибраций, что повышает стоимость

ремонтно-профилактических работ, утомляет летчика, создает дискомфорт для пассажиров. На лопасти несущего винта дей­ ствуют большие переменные нагрузки, сокращающие срок служ­ бы отдельных частей аппарата и приводящие в общем к уве­ личению расходов по обслуживанию. Характеристики устойчи­ вости и управляемости вертолета часто оказываются на пределе возможного, особенно на режиме висения, если не использо­ вана надежная система автоматического управления. В част­ ности, характеристики полета по приборам становятся неудов­ летворительными, если отсутствует система повышения устой­ чивости. В транспортной авиации шум становится все более важным фактором, так как он является главной формой воздей­ ствия авиации на людей и окружающую среду. Хорошо спроек­ тированный вертолет относится к наименее шумным летатель­ ным аппаратам, но использование его возможности взлетать и садиться вертикально часто предполагает его работу в черте городов, а это приводит к усилению ограничений по шуму. Все перечисленные трудности можно преодолеть и спроектировать вертолет с очень хорошими характеристиками. Методы расчета, необходимые для решения этой задачи, и составляют предмет данной книги.

1.1.1. НЕСУЩИЙ ВИНТ ВЕРТОЛЕТА

Обычный несущий винт вертолета состоит из двух или боль­ шего числа одинаковых, разделенных равными угловыми проме­ жутками лопастей, прикрепленных к центральной втулке. Винт равномерно вращается под действием крутящего момента, кото­ рый передается, как правило, от двигателя на вал. Подъемные силы и сопротивления лопастей — этих вращающихся крыльев — создают аэродинамический момент, силу тяги и другие силы и моменты несущего винта. Большой диаметр винта, требуемый для эффективного вертикального полета, и большое удлинение лопастей, диктуемое необходимостью иметь высокое аэродинами­ ческое качество вращающихся крыльев, делают лопасти гораз­ до более гибкими, чем у винтов с большой нагрузкой на диск (например, пропеллеров). Следовательно, при полете аппарата лопасть несущего винта под действием аэродинамических сил будет совершать значительные движения. Эти движения могут вызвать большие напряжения в лопасти или большие моменты в ее корне, которые через втулку передаются вертолету. Поэтому при проектировании лопастей и втулки несущего винта следует позаботиться о том, чтобы эти нагрузки были по возможности малы. Центробежные силы препятствуют отклонению вращаю­ щейся лопасти от плоскости диска, так что ее движение будет наиболее заметным вблизи комля. Вследствие этого поиски про-

ектировшиков обычно сосредоточиваются на конструкции втул­ ки винта.

Наиболее часто используемое конструктивное решение, кото­ рое было найдено на заре развития вертолетов и которому толь­ ко недавно предложена замена, заключается в шарнирной под­ веске лопасти ко втулке. Такая подвеска позволяет лопасти свободно двигаться в плоскости диска и в нормальной к ней плоскости. На рис. 1.4 показана схема расположения шарниров лопасти. Изгибающий момент на всей корневой части лопасти

Рис. 1.4. Схема шарнирного узла несущего винта и комля лопасти (показана только одна из лопастей винта).

I —вал винта; 2—втулка; 3 — корпус ОШ; 4 —лопасть; 5—к системе управления.

должен быть мал (так как он равен нулю на оси шарнира) и не должен передаваться от корня через втулку на вертолет. Та­ ким образом, благодаря движению лопасти в шарнире умень­ шаются изгибающие моменты, которые в противном случае возрастали бы у корня лопасти. Движение лопасти, допускае­ мое шарнирами, оказывает большое влияние на характеристики несущего винта и усложняет расчет этих характеристик. У не­ которых современных конструкций несущего винта шарниры от­ сутствуют, так что движение лопасти определяется только ее изгибом. Нагрузки втулки и лопастей в этом случае всегда больше, чем при наличии шарниров. Однако конструктивное решение остается в принципе тем же самым, так как лопасть при этом делают достаточно гибкой, чтобы ее движение могло быть существенным: иначе она не выдержит нагрузок даже при