книги / Теория вертолета. Кн. 1

Вертикальный полет II

К режимам вертикального полета вертолета со скоростью V относятся: висение (У — 0), набор высоты (V > 0), снижение (V < 0) и его особый случай — авторотация (безмоторное сни­ жение). Когда скорость снижения возрастает от нуля на режиме висения до скорости авторотации, требуемая для враще­ ния винта мощность уменьшается, а при дальнейшем увеличе­ нии скорости снижения несущий винт сам становится источни­ ком мощности. Эта глава посвящена в основном определению индуктивной мощности, которая является основной частью мощ­ ности, затрачиваемой несущим винтом на режимах вертикаль­ ного полета, включая снижение. Чтобы понять происхождение индуктивных затрат мощности, нужно рассмотреть режимы об­ текания винта в вертикальном полете.

3.1. и н д у к т и в н а я м о щ н о с т ь

ВВЕРТИКАЛЬНОМ ПОЛЕТЕ

Вгл. 2 описан метод расчета индуктивной мощности Р* на режимах висения и вертикального набора высоты по импульс­ ной теории. Он позволяет достаточно надежно рассчитать мощ­ ность, если ввести эмпирические коэффициенты, учитывающие дополнительные Индуктивные затраты, особенно концевые по­ тери и потери на неравномерность потока. В этой главе полу­ ченные результаты распространены и на вертикальное сниже­ ние. Показано, что импульсная теория неприменима в опреде­ ленном диапазоне скоростей снижения, так как принятая в ней схема следа становится некорректной. Дело в том, что след несущего винта в этом диапазоне скоростей приобретает столь

сложную структуру, что адекватной простой схемы для него нет. На авторотации (режиме безмоторного снижения) несу­ щий винт создает подъемную силу, не поглощая мощности. Энергия, расходуемая в единицу времени на отбрасывание воз­ духа для создания подъемной силы (индуктивная мощность Р,) и на вращение винта (профильная мощность Р0), поступает в результате уменьшения потенциальной энергии вертолета при его снижении. Диапазон скоростей снижения, при которыхим­ пульсная теория неприменима, охватывает и авторотацию.

104 Глава 3

что скорость протекания потока через диск направлена вниз (рис. 3.1). Предполагается, что индуктивные скорости и и w на диске винта и в дальнем следе распределены равномерно. Используем следующее правило выбора знаков (имеющее важ* ное значение при рассмотрении режимов снижения): сила тяги направлена вверх, а скорости направлены вниз. Массовый рас­ ход воздуха т через винт равен рА ( V -f- о ). По теореме импульсов Т = m (V + w) — mV = rhw, а по закону сохране-

Рис. 3.1. Используемая в импульсной теории схема обтекания несущего вин­ та при наборе высоты (а) или снижении (б).

поскольку скорость v должна быть положительной. Суммарные скорости на диске и в дальнем следе равны соответственно

^ + » = T + V ' ( ? 7 + ^

Успех исследования на базе импульсной теории определяет ся правильным выбором схемы течения. В частности, схему об­ текания винта при наборе высоты уже нельзя использовать при снижении, так как (относительная) скорость невозмущенного потока направлена вверх ( У < 0 ) и, таким образом, дальний след находится над диском винта. Схема течения при сниже­

нии также показана на рис. 3.1. Массовый расход пг по-преж­

т. е. несущий винт поглощает из воздушного потока энергию, превосходящую индуктивные затраты. Этот режим обтекания называют режимом ветряка. Исключение Т/th в этом случае

Его решением является

Суммарные скорости на диске и в дальнем следе, следователь­ но, равны

в дальнем следе должно быть направлено вниз, что противоре­ чит принятой схеме течения.)

На рис. 3.2 представлены графики решений уравнения им­ пульсной теории для режимов вертикального полета. Штрихо­ выми линиями изображены те ветви решений, которые не сог­

область существования решения на четыре области. Участки кривой, находящиеся в этих областях, соответствуют: 1) нор­ мальному рабочему режиму (набор высоты и висение), 2) ре­

положительны, т. е. течение в следе направлено вниз, а вне спутной струи— вверх. Такое течение физически невозможно.

106 Глава 3

Можно ожидать, однако, что решение, соответствующее набору высоты, окажется применимым и при малых скоростях сниже­ ния, при которых течение, по крайней мере вблизи винта, всю­ ду направлено вниз. Следовательно, область применимости импульсной теории должна охватывать режим висения. Пред­ полагается, что при снижении поток воздуха всюду направлен вверх (все три величины V, V + v и V + 2v отрицательны). Но решение, получаемое для снижения, имеет и верхнюю ветвь,

Рис. 3.2. Индуктивная скорость в вертикальном полете, определяемая по им­ пульсной теории.

образом, по импульсной теории на режимах вихревого кольца и турбулентного следа течение вне спутной струи направлено вверх, а в дальнем следе — вниз. Поскольку такие режимы об­ текания физически невозможны, в рамках импульсной теории

вует идеальной авторотации (Р = 0) и находится посреди диа­ пазона, в котором импульсная теория неприемлема. Индуктив­ ная скорость,, определяемая импульсной теорией, при V + v = 0 становится бесконечной, поскольку в этом случае, согласно тео­ рии, подъемная сила создается без массового расхода воздуха через диск (т = 0).

Итак, импульсная теория основана на схеме следа с четко выраженными спутной струей и дальним следом, причем всюду внутри струи и вне ее воздух движется в одном и том же нап­ равлении. Эта схема хорошо отражает обтекание несущего вин­ та при наборе высоты или при снижении с большой скоростью. Поэтому на нормальных рабочих режимах и на режимах вет­

ряка импульсная теория позволяет надежно оценить индуктив­ ные затраты мощности. Решение, полученное для полета с на­ бором высоты, фактически приемлемо и при малых скоростях снижения, т. е. в диапазоне, охватывающем висение. В прин­ ципе схема обтекания неадекватна реальному течению, но ха­ рактеристики потока вблизи винта, по-видимому, не претерпе­ вают резких изменений до V = —иа/ 2. Для умеренных ско­ ростей снижения (—2ив «с V С 0) в импульсной теории нет подходящей схемы обтекания винта. Согласно схеме, течение направлено вверх всюду, кроме дальнего следа, где оно на­ правлено вниз. В действительности же возникает неустойчивое турбулентное течение без четко выраженной спутной струи. Поэтому характер изменения индуктивной скорости на режи­ мах вихревого кольца и турбулентного следа должен быть оп­ ределен эмпирически, путем обработки результатов измерения аэродинамических характеристик винта.

3.1.2. РЕЖИМЫ ОБТЕКАНИЯ НЕСУЩЕГО ВИНТА В ВЕРТИКАЛЬНОМ ПОЛЕТЕ

З.1.2.1. Нормальный рабочий режим. Рассмотрим теперь бо­ лее подробно режимы обтекания несущего винта в вертикаль­ ном полете. Нормальный рабочий режим включает набор вы­ соты и висение (рис. 3.3). При наборе высоты скорость потока

Рис. 3.3. Обтекание несущего винта на нормальном рабочем режиме.

а — набор высоты; б — висение (У**0).

всюду направлена вниз, причем V и v положительны. Из за­ кона сохранения массы следует, что площадь поперечного се­ чения следа должна уменьшаться. Для этого режима прием­ лема схема следа с четко выраженной струей (хотя на самом деле след состоит из дискретных вихрей), и импульсная теория

108 Глава 3

позволяет надежно оценить аэродинамические характеристики. Под несущим винтом воздух также поступает в струю, а вбли­ зи диска существует возвратное течение, особенно на висении. Принятая в импульсной теории схема обтекания винта не учи­ тывает эти явления, но их влияние на индуктивную мощность имеет второстепенное значение.

Висение (У = 0) является предельным случаем нормального рабочего режима. По закону сохранения массы площадь струи далеко перед винтом бесконечна. Однако вблизи винта схема обтекания, предполагаемая в импульсной теории, остается

Рис. 3.4. Обтекание несуще­ го винта на режиме вихре­ вого кольца.

а —малые скорости снижения; б —большие скорости снижения

вполне приемлемой и, следовательно, позволяет надежно оце­ нить аэродинамические характеристики, хотя висение является предельным случаем применимости теории.

3.1.2.2. Режим вихревого кольца. Когда вертолет начинает снижаться, четко определенная спутная струя за винтом пере­

в противоположную. Таким образом, между режимами висения и ветряка существуют промежуточные режимы обтекания, ха­ рактеризующиеся значительным обратным течением и сильным возмущением следа. Иногда всю эту область режимов назы­ вают режимом вихревого кольца. Однако в данной книге режим вихревого кольца мы определяем условием о том, что мощ­ ность, извлекаемая из воздушного потока, меньше индуктивной

лентНого следа. Таким образом, на режиме вихревого кольца требуемая мощность уменьшается, оставаясь положительной. Установившаяся авторотация обычно соответствует режиму турбулентного следа.

На рис. 3.4 схематически показаны картины обтекания вин­ та на режиме вихревого кольца. При малых скоростях сниже­ ния начинают развиваться обратное течение вблизи диска и нестационарное возмущенное течение над винтом. Тем не ме­

нее вблизи диска схема импульсной теории еще достаточно хо­ рошо описывает течение. Так как изменение картины обтекания при малых скоростях набора высоты или снижения происходит постепенно, решение, которое дает импульсная .теория, остается до некоторой степени приемлемым и на режиме вихревого кольца. При увеличении скорости снижения, когда V <Г —vB/2, течение даже вблизи диска несущего винта становится сильно нестационарным и возмущенным. На этом режиме высок уро­ вень вибраций и несущий винт становится неуправляемым.

Рис. 3.5. Обтекание несущего винта на режиме турбулентного следа.

а — идеальная авторотация (V -f v—0); б —режим турбулентного следа.

Как будет показано ниже, на режиме вихревого кольца пот­ ребляемая мощность слабо зависит от величины вертикальной скорости, вследствие чего на этом режиме трудно управлять скоростью снижения.

Картина обтекания винта на режиме вихревого кольца по­ хожа на картину течения, вызванного изолированным вихревым кольцом, которое расположено в плоскости диска несущего винта или несколько ниже ее (отсюда и название режима), притом поток вокруг винта сильно возмущен. Невозмущенное течение, которое при снижении направлено вверх, удерживает концевые спиральные вихри под диском, формируя из них кольцо. С каждым оборотом несущего винта напряженность вихревого кольца возрастает; наконец, вся картина обтекания внезапно нарушается, и кольцо уносится потоком от плоскости диска. Таким образом, поле скоростей нестационарно и воз­ можен периодический унос вихревого кольца в поток над несу­ щим винтом. Такое поле скоростей является источником весьма неравномерных низкочастотных колебаний. На режиме турбу­ лентного следа выполняется условие V -f- v < 0; при этом

поток через диск несущего винта номинально направлен вверх

иконцевые вихри также уносятся от плоскости диска вверх.

3.1.2.3.Режим турбулентного следа. На рис. 3.5 показано

обтекание несущего винта на режиме идеальной авторотации, когда V + v = 0. Если бы профильная мощность была равна нулю, то безмоторное снижение могло бы происходить на этом

значительные обратное течение и возмущения. Обтекание винта на этом режиме сходно с обтеканием круглой пластины той же

Рис. 3.6. Обтекание несущего виита на режиме ветряка,

в —граница режима (V +2v=0); б —режим ветряка.

площади (скорость протекания на диске равна нулю, а над диском находится возмущенный след).

На рис. 3.5 схематически показано также обтекание винта на режиме турбулентного следа. Поток по-прежнему сильно возмущен, но возвратное течение через диск значительно сла­ бее, так как скорость на диске направлена вверх. Картина те чения над диском на режиме турбулентного следа очень по­ хожа на картину течения в турбулентном следе плохо обте­ каемого тела (отсюда название режима). На этом режиме ощущаются некоторые толчки, вызванные возмущениями в сле­ де, но нет ничего похожего на сильные вибрации, присущие ре­