книги / Теория вертолета. Кн. 1

22 Глава 1

использовании самых современных материалов и технологии. Следовательно, движение лопасти остается доминирующим фак­ тором, хотя нагрузка корня и момент на втулке, свойственные бесшарнирному винту, сильно влияют на конструкцию вертоле­ та и на его эксплуатационные характеристики.

Движение шарнирно-подвешенной лопасти состоит в основ­ ном из поворотов ее как твердого тела в каждом из шарниров, причем этим поворотам препятствуют центробежные силы, ко­ торые создают восстанавливающие моменты, действующие на ■вращающуюся лопасть. Движение в горизонтальном шарнире (ГШ), ось которого лежит в плоскости диска винта (и перпен­ дикулярна радиальному направлению вдоль лопасти), приводит к отклонению лопасти от плоскости диска. Такое движение на­ зывается маховым. Движение в вертикальном шарнире (ВШ) вызывает отклонение лопасти в плоскости диска и называется качанием. У бесшарнирного винта качание и маховое движение определяются основными тонами изгибных колебаний лопасти соответственно в плоскости диска и в перпендикулярной ей пло­ скости (плоскости взмаха). Так как центробежные силы значи­ тельно уменьшают изгибы, эти тоны сходны с колебаниями ло­ пасти как твердого тела в шарнирах. Исключением является корневая часть лопасти, где изгиб наибольший. Кроме махового движения и качания лопасти имеется еще возможность измене­ ния ее угла установки, которая используется для управления несущим винтом. Изменение угла установки позволяет управлять углом атаки лопасти, а следовательно, и аэродинамическими силами несущего винта. Такое изменение угла установки, назы­ ваемое установочным движением, обычно осуществляют ее пово­ ротом в осевом шарнире (ОШ). У шарнирного винта подшипник ОШ расположен, как правило, дальше от оси вращения, чем ГШ и ВШ; у бесшарнирного винта подшипник ОШ может быть расположен дальше от оси вращения или ближе к ней, чем та часть корня лопасти, где изгибы в плоскости диска и в плоско­ сти взмаха максимальны. Существуют также конструкции не­ сущего винта, в которых ОШ, ГШ и ВШ отсутствуют. У таких винтов изменение угла установки происходит за счет скручива­ ния лопасти у ее корня.

Таким образом, конструкция втулки определяет способ осу­ ществления махового движения и качания лопасти, что позво­ ляет дать основную классификацию типов несущих винтов.

а) Шарнирный несущий винт.Лопасти подвешены ко втулке посредством ГШ и ВШ.

б) Несущий винт, типа качалки. Две лопасти, составляющие единую конструкцию, подвешены к валу винта посредством одного ГШ, образуя качалку. ВШ у такого винта нет. Ему ана­ логичен карданный несущий винт, имеющий три или большее число лопастей, которые жестко прикреплены ко втулке, а втул­

винтов на вертолет не передаются. В этой схеме аэродинамиче­ ские моменты несущих винтов балансируются автоматически и вспомогательный винт, поглощающий определенную мощность, не нужен. Однако вследствие интерференции несущих винтов те­ ряется приблизительно такая же мощность. Чаще всего двух­ винтовые вертолеты строятся по продольной схеме (один не­ сущий винт расположен в передней, а другой — в задней части фюзеляжа, причем обычно диски несущих винтов значительно перекрываются, а задний несущий винт расположен выше перед­ него). Некоторое применение нашли также двухвинтовые вер­ толеты поперечной схемы.

1.1.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ВЕРТОЛЕТА

Режим вертикального полета, когда горизонтальная состав­ ляющая скорости равна нулю,— это основной режим, отличаю­ щий вертолет от других летательных аппаратов. Режим полета, при котором равны нулю как горизонтальная, так и вертикаль­ ная составляющие скорости, т. е. движение относительно невоз­ мущенного воздуха вообще отсутствует, называется висением. Подъемную силу и управление на режиме висения обеспечива­ ют изменением углов установки лопастей, создавая на них тре­ буемые аэродинамические силы. Вертикальный полет может представлять собой набор высоты или снижение; при этом диск винта горизонтален и, следовательно, сохраняется строго осе­ вое протекание воздушного потока через диск. На практике вер­ толет должен быть способен и к горизонтальному полету. При полете вперед диск несущего винта остается почти горизонталь­ ным, так что скорость набегающего потока складывается со скоростью вращения лопастей в плоскости диска. Подъемную силу и управление вертолетом по-прежнему обеспечивает не­ сущий винт. Кроме того, посредством небольшого наклона впе­ ред вектора силы тяги он создает необходимую для полета впе­ ред пропульсивную силу.

Любой летательный аппарат пригоден для эксплуатации лишь при возможности его безопасной посадки с неработающими двигателями. Самолеты сохраняют способность к управляемому полету после отказа двигателей, планируя со снижением под небольшим углом. Винтокрылые аппараты также могут совер­ шать управляемый полет после отказа двигателей. Вращение вин­ та при неработающем двигателе называют авторотацией. На этом режиме вращающийся несущий винт обеспечивает необ­ ходимую подъемную силу и управление. Источником мощности, требуемой для вращения винта на режиме авторотации, слу­ жит относительный воздушный поток, возникающий при сниже­ нии вертолета. Пилотирование в рассматриваемом безмоторном полете состоит в таких действиях органами управления, которые

обеспечивают вращение винта при снижении и поддерживают устойчивый полет при минимальной скорости снижения. Вблизи земли производят «подрыв», т. е., используя запас кинетической энергии вращающегося несущего винта, сводят к нулю верти­ кальную и горизонтальную составляющие скорости непосредст­ венно перед приземлением. Опыт показал, что при вертикальном снижении с неработающим двигателем несущий винт вертолета действует приблизительно так же, как парашют, диаметр кото­ рого равен диску винта. При полете вперед эту скорость сни­ жения можно уменьшить приблизительно вдвое.

У винтокрылого аппарата, называемого автожиром, авторо­ тация является нормальным режимом работы несущего винта. На вертолете мощность передается непосредственно несущему винту, который создает как подъемную, так и пропульсивную силы. На автожире же мощность (крутящий момент) на несу­ щий винт не поступает. Мощность и пропульсивную силу, тре­ буемые для горизонтального полета, обеспечивает пропеллер или другой движитель. Следовательно, автожир по принципу дей­ ствия похож на самолет, так как несущий винт играет роль крыла, создавая только подъемную силу, но не пропульсивную. Иногда для создания управляющих сил и моментов на автожи­ ре, как и на самолете, используют фиксированные аэродинами­ ческие поверхности, но лучше, если управление обеспечивает несущий винт. Несущий винт действует в значительной степени как крыло и характеризуется весьма большой величиной отно­ шения подъемной силы к сопротивлению. Правда, аэродинами­ ческие характеристики несущего винта не столь хороши, как у крыла, зато он способен обеспечить подъемную силу и управле­ ние при гораздо меньших скоростях. Следовательно, автожир может летать со значительно меньшими скоростями, чем само­ лет. Однако без передачи мощности на несущий винт автожир не способен к настоящему висению или вертикальному полету. Так как аэродинамические характеристики автожира ненамного лучше характеристик самолета с малой удельной нагрузкой крыла, использование несущего винта на летательном аппарате обычно оправдано только тогда, когда необходимы вертикаль­ ные взлет и посадка аппарата.

1.2. РАЗВИТИЕ ВЕРТОЛЕТА

При разработке винтокрылых аппаратов с самого начала возникли три главные проблемы. Первая проблема состояла в том, чтобы создать легкий и надежный двигатель. Поршневой двигатель внутреннего сгорания был первым двигателем, ко­ торый удовлетворил этим требованиям; много позже был сделан значительный шаг вперед — на вертолете применили газотур­ бинный двигатель. Вторая проблема связана с необходимостью

разработки легкого и прочного несущего винта (втулки и ло­ пасти), имеющего в то же время хорошие аэродинамические ха­ рактеристики. Последняя проблема состояла в разработке спо­ соба управления вертолетом, включая балансировку аэродина­ мического момента несущего винта. Это по существу те же проблемы, что возникли в развитии самолетов и были в свое время решены братьями Райт. Вертолеты и самолеты по мно­ гим направлениям развивались параллельно. Более позднее появление вертолетов можно объяснить значительными энерго­ затратами на вертикальный полет, что требовало более высо­ кого уровня техники для удовлетворительного решения соответ­ ствующих проблем.

1.2.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЕРТОЛЕТА

Историю развития вертолета обычно начинают с упомина­ ния о китайской вертушке и о Леонардо да Винчи. Китайская летающая вертушка (около 400 лет до н. э.) — это палочка, к верхнему концу которой приделан пропеллер. Палочку рас­ кручивали руками и отпускали. В трудах Леонардо да Винчи

ного аппарата такого рода. М. В. Ломоносов (Россия, 1754 г.) представил Российской Академии наук модель винтокрылого летательного аппарата с приводом от пружины. Лонуа и Бьенвеню (Франция, 1784 г.) продемонстрировали Французской Ака­ демии наук модель также с приводом от пружины. Модель имела два несущих винта противоположного вращения с че­ тырьмя лопастями каждый (лопасти были сделаны из перьев). Винты приводились во вращение дугообразной пружиной. Сэр Дж. Кэйли (Англия, 1790-е гг.) сделал чертежи вертолетов и сконструировал модели с приводом от упругих элементов. Однако все эти модели мало повлияли на развитие вертолета.

Во второй половине XIX в. вертолетом занималось много изобретателей. Был достигнут некоторый прогресс, но пригод­ ного для эксплуатации аппарата не появилось. Главным пре­ пятствием было отсутствие дешевого, надежного и легкого дви­ гателя. Известно несколько попыток использовать на вертолете паровой двигатель. У. Филлипс (Англия, 1842 г.) сконструиро­ вал модель массой 10 кг с паровым двигателем. Виконт Гюстав де Понтон д’Амекур (Франция, 1863 г.) построил маленькую модель, приводимую в движение паром, он же ввел в употреб­ ление слово «геликоптер». Альфонс Пено (Франция, 1870-е гг.) экспериментировал с моделями. Энрико Форланини (Италия, 1878 г.) построил летающую модель массой 3,5 кг с паровым двигателем. Эксперименты с моделями проводил и Томас Эди­

сон (США, 1880-е гг.). Он ясно понимал, что основная труд­ ность заключается в отсутствии мощного, надежного и легкого двигателя. Эдисон пришел к выводу, что вертолет не сможет полететь до тех пор, пока не появятся двигатели с удельным весом менее 1—2 кг/л. с. Упомянутые выше модели были толь­ ко моделями, но их конструкторы уже начали обращать вни­ мание на проблему адекватного источника мощности, требуемой для полета. Паровая машина оказалась непригодной для ле­ тательного аппарата, особенно для вертолета, вследствие ее низкой удельной мощности.

В самом начале XX в. появились поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине. Это сделало возможным полет самолета, а через некоторое время — и вер­ толета. Ренар (Франция, 1904 г.) построил вертолет попереч­ ной схемы с двумя двигателями, он же ввел в конструкцию несущего винта вертолета горизонтальный шарнир. «Жироплан» № 1 конструкторов Бреге и Рише (Франция, 1907 г.) имел че­ тыре несущих винта с четырьмя бипланными лопастями каж­ дый (диаметр винтов 8 м, полетная масса аппарата 580 кг, дви­ гатель «Антуанетт» мощностью 45 л. с.). Этот аппарат совер­ шил полет продолжительностью около 1 мин на привязи с пас­ сажиром на высоте около 1 м. Поль Корню (Франция, 1907 г.) сконструировал машину, на которой он осуществил первый по­ лет. Это был вертолет продольной схемы, каждый винт имел две обтянутые тканью лопасти (диаметр винта 6 м, полетная масса аппарата 260 кг, двигатель «Антуанетт» мощностью 24 л. с., винты приводились во вращение с помощью ременной передачи). Для управления использовались лопатки, размещен­ ные в следе несущего винта, которые оказались малоэффектив­ ными. Вертолет достиг высоты приблизительно 0,3 м и продер­

винтов 5,8 м, двигатель «Анзани» мощностью 25 л. с.). Аппарат развивал подъемную силу в 180 кг, но этого не хватило для преодоления его собственного веса и веса пилота. Сикорский вернулся к конструированию вертолетов (с гораздо большим ус­ пехом) после постройки ряда самолетов в России и США. Б. Н. Юрьев (Россия, 1912 г.) построил машину с двухлопастным несущим винтом и небольшим рулевым винтом (диаметр несу­ щего винта 8 м, полетная масса аппарата 200 кг, двигатель «Ан­ зани» мощностью 25 л. с.). Этот вертолет не летал, но Юрьев упорно продолжал исследования. В дальнейшем он руководил разработкой вертолетов в Советском Союзе. Петроцци и

28 Глава 1

фон Карман (Австрия, 1916 г.) построили наблюдательный вер­ толет, который в полете на привязи с полезной нагрузкой до­ стиг высоты 50 м.

Усовершенствование двигателей во время и после первой ми­ ровой войны решило проблему адекватного источника мощности, по крайней мере в той степени, которая позволила приступить к экспериментальному поиску удовлетворительной системы уп­ равления вертолетом. Георг де Ботезат (США, 1922 г.) по­ строил вертолет с четырьмя шестилопастными несущими винтами, которые были установлены на концах балок, образующих крест (полетная масса аппарата 1600 кг, двигатель мощностью 180 л. с. установлен в центре креста). Вертолет совершил много полетов с пассажирами на высоте до 4—6 м. Он был хорошо управляем, причем управление осуществлялось дифференциаль­ ным изменением общих шагов несущих винтов (общий шаг — средний угол установки лопастей, изменяемый для управления величиной силы тяги). Это был первый винтокрылый аппарат, заказанный армией США. Однако после затраты 200 тыс. долл, проект был в конце концов отклонен из-за чрезмерной сложно­ сти конструкции. Этьен д'Эмишан (Франция, 1924 г.) построил машину с четырьмя двухлопастными винтами (два винта диа­ метром 7,6 м и два диаметром 6,4 м) для создания подъемной силы, пятью горизонтальными пропеллерами для управления по высоте, двумя пропеллерами, для создания пропульсивной силы и одним пропеллером впереди для путевого управления. Все эти винты приводились во вращение одним двигателем «Рон» мощ­ ностью 120 л. с. Аппарат установил первый рекорд дальности для вертолетов — 360 м. Маркиз Рауль Патерас Пескара (Испа­ ния, 1924 г.) сконструировал вертолет с двумя соосными несу­ щими винтами, каждый из которых имел по четыре бипланные лопасти (двигатель мощностью 180 л. с.; построенный в 1920 г. аппарат имел аналогичную конструкцию, несущие винты диа­ метром 6,4 м и двигатель «Испано» мощностью 45 л. с., но раз­ виваемая им подъемная сила оказалась недостаточной). Управ­ ление осуществлялось перекашиванием бипланных лопастей, вследствие чего изменялись их углы установки. Пескара впервые продемонстрировал эффективность управления несущими вин­ тами посредством циклического шага (циклический шаг — сину­ соидальное с частотой вращения винта изменение углов уста­ новки лопастей, используемое для наклона диска несущего винта). Вертолет Пескары установил рекорд дальности (736 м), но проблемы устойчивости не удалось решить полностью. Эмиль и Генри Берлинеры (США, 1920—1925 гг.) построили вертолет, > которого два несущих винта были расположены на концах би­ планного крыла, т. е. вертолет поперечной схемы. В качестве несущих винтов были использованы жесткие деревянные пропел­ леры, а управление осуществлялось наклоном их осей. Льюис.

Бреннен (Англия, 1920-е гг.) построил вертолет с несущим вин­ том, который проводился во вращение пропеллерами, установ­ ленными на лопастях, так что аэродинамический крутящий мо­ мент несущего винта был равен нулю. Однако машина оказалась слишком сложной. Циклический шаг осуществлялся искривле­ нием лопастей посредством отклонения щитков. А. ван Баумхауэр (Голландия, 1924—1929 гг.) разработал вертолет одно­ винтовой схемы (двухлопастный несущий винт диаметром 15 м, полетная масса аппарата 1300 кг, ротативный двигатель мощ­ ностью 200 л. с.). Для привода рулевого винта использован от­ дельный двигатель (ротативный двигатель «Тулин» мощностью 80 л. с., установленный непосредственно на валу рулевого винта). Лопасти несущего винта могли совершать маховое движение, но были соединены тросами, так что получился винт типа качалки. Для управления был использован циклический шаг лопастей не­ сущего винта, создаваемый с помощью автомата перекоса. Вер­ толет летал, но на высоте не более 1 м. Вследствие наличия от­ дельных двигателей для несущего и рулевого винтов возникли трудности с управлением по курсу, и после серьезной аварии проект был отклонен. Коррадино д’Асканио (Италия, 1930 г.) сконструировал вертолет соосной схемы (диаметр несущих вин­ тов 13 м, двигатель мощностью 95 л. с.). У несущих винтов было по две лопасти, которые свободно поворачивались в горизонталь­ ных и осевых шарнирах. Управление общим и циклическим ша­ гами достигалось с помощью сервозакрылков на лопастях. В те­ чение нескольких лет эта машина установила рекорды высоты (18 м), продолжительности полета (8 мин 45 с) и дальности (1078 м). Однако характеристики устойчивости и управляемости вертолета были на пределе. М. Бликкер (США, 1930 г.) построил вертолет с четырьмя крылообразными лопастями. Мощность от двигателя в фюзеляже передавалась пропеллерам, установлен­ ным на каждой из лопастей. Для управления использовались аэродинамические поверхности, установленные на лопастях и на хвосте аппарата. В ЦАГИ (СССР) под руководством Юрьева была разработана серия вертолетов одновинтовой схемы. Верто­ лет ЦАГИ 1-ЭА (1931 г.) имел четырехлопастный несущий винт с управлением циклическим и общим шагами и два маленьких винта противоположного вращения для балансировки аэродина­ мического крутящего момента (диаметр несущего винта 11 м, полетная масса аппарата 1100 кг, двигатель мощностью

120л. с.)').

Кэтому времени вертолетостроение сильно продвинулось

вперед, но характеристики устойчивости и управляемости, как и

‘) В 1932 г. этот вертолет поднялся на высоту 605 м, намного превысив зарегистрированные рекорды Асканио (18 м, 1928 г.) и Бреге—Дорана (180 м, 1935 г.). — Прим, перев.

тации), были еще крайне низкими. В 20-х и 30-х годах основное внимание вертолетостроителей привлекали автожиры. Автожир стал первым практически используемым летательным аппаратом, в котором подъемную силу создает непосредственно воздушный винт. Значительный вклад в его разработку внес Хуан де ла Сиерва (Испания), который ввел в оборот и слово «автожир». В этом аппарате крыло заменено несущим винтом, который при­ водится во вращение набегающим потоком воздуха. По существу, в автожире использована схема самолета с пропеллером в каче­ стве движителя. В первоначальных конструкциях автожира для управления применяли даже обычные аэродинамические поверх­ ности самолета (элероны, руль направления, руль высоты). Без подвода мощности к несущему винту автожир не способен ви­ сеть или лететь по вертикали, но он может лететь очень мед­ ленно, а в крейсерском полете его аэродинамические характери­ стики весьма близки к характеристикам самолета.

X. де ла Сиерва сконструировал самолет, который в 1919 г. разбился вследствие срыва потока при полете у земли. По­ этому Сиерву заинтересовал летательный аппарат с малыми скоростями взлета и посадки, на котором не возникает срыв, если летчик чрезмерно уменьшит скорость. Эксперименты в аэро­ динамической трубе с моделями воздушных винтов показали, что у винта, который свободно вращается на валу, отклоненном назад, можно получить хорошую величину отношения подъемной силы к сопротивлению даже при малой скорости потока. Наи­ лучшие результаты были получены при малых положительных значениях общего шага. В 1922 г. Сиерва построил автожир С-3 с пятилопастным жестким винтом, который имел «тенденцию заваливаться набок». Тем не менее модель с гибкими пальмо­ выми лопастями летала удовлетворительно. Сиерва установил, что удовлетворительный полет модели объясняется гибкостью ее лопастей. Это навело его на мысль применить на автожире шар­ нирный несущий винт. В результате Сиерва спроектировал ма­ шину с машущими лопастями. Благодаря наличию горизонталь­ ных шарниров аппарату не передается кренящий момент, кото­ рый возникает на несущем винте при полете вперед и обусловлен несимметричностью обтекания винта. Сиерва был первым, кто применил ГШ в пригодном для эксплуатации винтокрылом ап­ парате. В 1923 г. он построил автожир С-4, совершивший успеш­

в Королевском авиационном научно-исследовательском инсти­ туте послужила стимулом для развития теории винтокрылых аппаратов в Англии Глауэртом и Локком. Автожир С-6 (1926 г.)

принято считать первым автожиром Сиерва, пригодным для эксплуатации.

В 1925 г. Сиерва основал в Англии фирму «Сиерва аутоджайро компани», которая стала базой строительства его автожиров. В последующее десятилетие было построено около 500 таких машин, причем многие из них по лицензиям Сиерва строили другие предприятия, в том числе фирмы Э. В. Роу, «Де Хэвилленд», «Уэйр», «Вестленд», «Парнелл», «Компер» в Англии; «Питкэрн», «Келлет», «Бал» в США; «Фокке-Вульф» в Герма­ нии; «Луар», «Оливье» во Франции; ЦАГИ в СССР. Авария, случившаяся в 1927 г., выявила, что в плоскости диска возни­ кают большие нагрузки лопасти, вызванные маховым движе­ нием. После этого лопасти несущего винта были снабжены вертикальными шарнирами. Тем самым была в принципе завер­ шена разработка шарнирного винта для автожира. В 1932 г. Сиерва отказался от управляющих поверхностей, которые не очень эффективны при малых скоростях полета, в пользу управ­ ления с помощью самого несущего винта. При этом продольное и поперечное управления осуществлялись путем наклона втулки винта. Р. Хафнер (Англия, 1935 г.) вместо управления наклоном втулки разработал для автожира управление циклическим ша­ гом с помощью механизма «паук». Э. Б. Уилфорд (США, 1930-е гг.) сконструировал автожир с бесшарнирным несущим винтом, на котором также было применено управление цикли­ ческим шагом.

К 1935 г. автожиры достигли высокого развития как в Ев­ ропе, так и в Америке, опередив вертолеты. Это объясняется тем, что, во-первых, автожир не предназначался для вертикаль­ ных полетов, а потому потребная мощность у него была меньше; во-вторых, свободно вращающийся несущий винт механически проще. Кроме того, при разработке автожиров многое заимство­ валось у самолетов, например двигатели и движители, а пона­ чалу даже и система управления. Однако, не обладая способ­ ностью совершать настоящий вертикальный полет, автожир уступал и в других отношениях самолету. Тем не менее развитие автожира, включая накопление экспериментальных данных и практического опыта, оказало некоторое влияние на развитие вертолета и методы его проектирования. В то же время по­ стройка автожиров дала мощный голчок развитию теории винто­ крылых аппаратов. Многие исследования автожира, проводив­ шиеся в 20—30-х годах, заложили основу теории вертолета.

Между тем развитие вертолета продолжалось. Луи Бреге и Рене Доран (Франция, 1935 г.) построили вертолет соосной схемы с двухлопастными винтами (диаметр винтов 16,5 м, по­ летная масса аппарата 2000 кг, двигатель мощностью 450 л. с.), Винт имел ГШ и ВШ, управление по тангажу и крену осуществ­ лялось с помощью циклического шага, а управление по курсу —