книги / Теория вертолета. Кн. 1

определяется в первую очередь параметрами z/R и р и лишь во вторую очередь — нагрузкой винта.

Хейсон [Н.71] исследовал влияние земли при полете верто­ лета вперед на основе схемы активного диска с вихревым сле­ дом, вводя отраженную систему вихрей под поверхностью зем­ ли. Он установил, что воздушная подушка всегда уменьшает требуемую мощность, но при полете вперед этот эффект осла­ бевает с высотой быстрее, чем на режиме висения. Влияние земли уменьшается и с ростом скорости полета, причем наибо­ лее сильно изменение скорости сказывается в диапазоне 1,5

^ V/v&^ 2,0. Хейсон нашел также, что на малых высотах увеличение мощности, вызванное ослаблением влияния земли с ростом скорости, происходит быстрее, чем уменьшение мощ­ ности вследствие обычного уменьшения индуктивной скорости при полете вперед. Поэтому в конечном счете требуемая мощ­ ность вблизи земли должна возрастать с увеличением скорости от нуля (см. рис. 4.8)[).)*

*) Влияние «воздушной подушки» подробно исследовано В. М. Калявкяным [165]. — Прим, перев.

5

Полет вперед II

5.1. РАБОТА НЕСУЩЕГО ВИНТА ПРИ ПОЛЕТЕ ВПЕРЕД

Висение, экономичное по затратам мощности, — основная ха­ рактеристика вертолета, но она ничего не стоит, если плохи аэродинамические характеристики при полете вперед. В таком полете диск несущего винта движется передней кромкой на­ встречу воздуху, оставаясь почти горизонтальным (небольшой наклон обеспечивает создание пропульсивной силы). Поэтому лопасть несущего винта обтекается потоком, скорость которого в плоскости диска складывается из составляющей скорости вер­ толета и из скорости, обусловленной собственным вращением лопасти. У наступающей лопасти при полете вперед скорость обтекания больше, у отступающей — меньше. Предположим, что угол атаки сечений лопасти постоянен. Тогда изменение скорост­ ного напора в процессе работы винта приводит к тому, что подъ­ емная сила наступающей лопасти становится больше, чем у от­ ступающей, т. е. на винте возникает момент крена. Если не лик­ видировать этот момент, вертолет будет крениться в сторону отступающей лопасти до тех пор, пока момент крена на винте не сбалансируется моментом силы тяжести, приложенной в центре масс вертолета. Но момент крена может быть столь большим, что такая балансировка окажется недостижимой. Именно этим на заре развития вертолетостроения было вызвано несколько аварий, которые происходили при попытках лететь вперед. Кро­ ме того, моменту крена на несущем винте соответствует боль­ шой изгибающий момент в комлевой части каждой лопасти. Этот момент периодически изменяется (период равен 2n/Q ),до­ стигая максимального положительного значения на наступаю­ щей лопасти и минимального отрицательного значения на отсту­ пающей..

Так как нагрузка Т/Ал лопасти ограничена срывом потока в ее сечениях, для заданной силы тяги (и концевой скорости) площадь лопастей должна оставаться приблизительно одинако­ вой независимо от диаметра винта. Следовательно, у слабо на­ груженных несущих винтов вертолетов коэффициент заполнения о = Ал/А н. в мал, а значит, удлинение лопасти велико. Для обес­ печения предельно высоких аэродинамических характеристик тонкие лопасти большого удлинения должны выдерживать в комлевой части высокий уровень напряжений, которые, кроме

того, при полете вперед периодически изменяются с периодом 2я/й. Это создает серьезную проблему для конструкторов: не­ обходимо каким-то способом уменьшить изгибающие моменты в комлевых частях и снизить напряжения в лопастях до допу­ стимого уровня. Если лопасти жесткие, как у пропеллера, то все аэродинамические нагрузки воспринимает конструкция. У гибких же лопастей под действием аэродинамических сил возникают значительные изгибные колебания, в результате ко­ торых аэродинамические силы могут изменяться так, что на­ грузка лопастей существенно снизится. Таким образом, при по­ лете вперед азимутальное изменение подъемной силы лопасти вызывает ее периодическое движение с периодом 2я/£2 в пло­ скости, нормальной к плоскости диска (плоскости взмаха). Это движение называют маховым. С учетом инерционных и аэроди­ намических сил, обусловленных маховым движением, результи­ рующие нагрузки лопасти в комлевой части и момент крена, пе­ редающийся на фюзеляж, существенно уменьшаются. Обычно для снижения нагрузок втулки несущих винтов снабжают гори­ зонтальными шарнирами (ГШ). При маховом движении ло­ пасть поворачивается вокруг оси ГШ как твердое тело (см. рис. 1.4). Так как на оси ГШ момент равен нулю, на фюзеляж он вообще не может передаться (если относ оси ГШ от оси вра­ щения равен нулю), а изгибающие моменты в комлевой части лопасти должны быть малы. Несущий винт, у которого имеются горизонтальные шарниры, называют шарнирным винтом. В по­ следнее время на вертолетах с успехом применяют несущие винты, не имеющие ГШ и называемые бесшарнирными. При ис­ пользовании высококачественных современных материалов ком­ левую часть лопасти можно сделать прочной и в то же время достаточно гибкой, чтобы обеспечить маховое движение, кото­ рое снимает большую часть нагрузок в комле лопасти. Вслед­ ствие значительных центробежных сил, действующих на ло­ пасти, маховые движения у шарнирных и бесшарнирных винтов весьма сходны. Естественно, нагрузка комлевой части лопасти у бесшарнирных винтов выше, чем у шарнирных, а увеличение момента, передаваемого на втулку, оказывает значительное влия­ ние на характеристики управляемости вертолета. В целом махо­ вое движение лопастей уменьшает асимметрию в распределе­ нии подъемной силы по диску винта при полете вперед. Поэтому учет махового движения имеет принципиальное значение в ис­ следовании аэродинамических характеристик несущего винта при полете вперед.

Рассмотрим составляющие скорости потока, обтекающего ло­ пасть при полете вперед (рис. 5.1). Обозначим скорость полета через V, угол атаки диска винта — через а (этот угол положите­ лен, когда диск наклонен верхней стороной вперед). Несущий винт вращается с частотой Q. Так как обычно несущие винты

вращаются против часовой стрелки (при виде сверху), лопасть будет наступающей в правой половине диска (если смотреть вперед) '). Введем связанную с фюзеляжем систему координат х, у, z, оси которой направлены соответственно назад, вправо и вверх, а начало находится в центре вращения винта. Величина составляющей в плоскости диска скорости потока, набегающего на винт, равна V cos а. Отношение этой величины к концевой скорости назовем характеристикой режима работы винта и обо­ значим через р, т. е. р = V cos а / (Й/?). Таким образом, р — это

Рис. 5.1. Обтекание лопасти при полете вперед.

о —система координат, связанная с диском; б —система координат, связанная с лопастью.

безразмерная скорость перемещения несущего винта вперед. По­ ложение лопасти определено ее азимутом ф = Ш, отсчитывае­ мым от положительного направления оси х. Во вращающейся системе координат, связанной с лопастью, выражения тангенци­ альной и радиальной составляющих скорости потока, обтекаю­

влияние на аэродинамические характеристики несущего винта при полете вперед. При типичных для вертолета крейсерских скоростях полета характеристика режима работы винта р мала. У первых вертолетов максимальной скорости соответствовала

4) Имеется в виду направление вращения, принятое на американских вертолетах. У отечественных одновинтовых вертолетов направление вращения Винта противоположное.— П рим , перев.

В процессе полета вперед на диске несущего винта обра­ зуется зона обратного обтекания, т. е. зона в левой половине диска, где скорость потока, обтекающего отступающую лопасть, направлена от задней кромки к передней. В выражении танген­ циальной составляющей скорости первое слагаемое Qr, обуслов­ ленное вращением лопасти, положительно и линейно возрастает с радиусом сечения, а второе слагаемое Q/?pi sin гр, обусловлен­ ное скоростью полета вперед, отрицательно на стороне отсту­

зывает сильное влияние на аэродинамические характеристики несущего винта. Однако для современных вертолетов типичные значения р находятся в интервале 0,3 -г- 0,4. При малых значе­ ниях характеристики режима работы винта зона обратного об­ текания занимает лишь небольшую часть диска винта (отноше­ ние площади этой зоны к общей площади диска равно р2/4). Кроме того (так как по определению на границе зоны обрат­ ного обтекания ur = 0), во всей этой зоне скоростной напор невелик при малых значениях р. Неоперенная часть лопасти, составляющая до 15—30% радиуса несущего винта, занимает большую часть зоны обратного обтекания. Поэтому влиянием зоны обратного обтекания можно пренебречь до р ~ 0,5.

Асимметрия обтекания лопасти при полете вперед, обуслов­ ленная сложением скорости набегающего потока со скоростью вращения винта, приводит к тому, что аэродинамические на­ грузки и движение лопасти зависят от азимута f. В установив­ шемся полете все характеристики лопасти на заданном азимуте

и т. д. Затем, используя приведенные выше формулы, интегралы

вуравнениях движения заменяют коэффициентами Фурье. В ре­ зультате получают ту же самую систему алгебраических уравне­ ний, что и методом подстановки, хотя операционным методом

уравнения определяются не сразу, а по одному. Линейные диф­ ференциальные уравнения сводятся, таким образом, к линейным алгебраическим уравнениям относительно коэффициентов гар­ моник. Оба метода дают приближенные решения, так как для получения конечной системы алгебраических уравнений ряды Фурье приходится обрывать. Однако для описания периодиче­ ских функций, встречающихся при исследовании работы несу­ щего винта, достаточно конечного числа гармоник.

Тяга

Рис. 5.3. Схема расположения ГШ, ВШ и ОШ на втулке шарнирного несу­ щего винта.

Чтобы обеспечить движение лопасти в плоскости взмаха, необходимое для уменьшения напряжений в комле лопасти и моментов на втулке, нужен горизонтальный шарнир (ГШ). Ма­ ховое движение порождает также аэродинамические и инерцион­ ные, в частности кориолисовы, силы в плоскости диска. Поэтому несущие винты часто снабжают вертикальными шарнирами (ВШ), которые обеспечивают возможность качания лопасти и уменьшают нагрузки комлевой части лопасти в плоскости диска. Однако вследствие применения ВШ усложняется конструкция втулки и появляется возможность механической неустойчивости, называемой «земным резонансом». Для устранения этой не­ устойчивости требуется механическое демпфирование качания. («Земной резонанс» возникает из-за взаимосвязи между коле­ баниями лопастей в вертикальных шарнирах и колебаниями втулки винта в плоскости диска. Последнее движение обычно обусловлено упругостью шасси, когда вертолет стоит на земле, см. разд. 12.4) Вместо применения ВШ можно усилить кон­ струкцию комлевой части лопасти с тем, чтобы она выдержи­ вала нагрузки в плоскости диска. В комлевой части лопасти должен также быть осевой шарнир (ОШ), который позволяет изменять угол установки лопасти и тем самым управлять несу­ щим винтом. Таким образом, лопасть полностью шарнирного

несущего винта имеет три шарнира в комле: горизонтальный, вертикальный и осевой (рис. 5.3). Движение лопасти в горизон­ тальном и вертикальном шарнирах ограничивают центробежные силы, возникающие при вращении лопасти, а движение в осевом шарнире определяет система управления. Заметим, что когда го­ ворят о шарнирном несущем винте, обычно имеют в виду на­ личие ГШ и ВШ. Например, «бесшарнирный» винт часто имеет ОШ. У полностью шарнирного винта оси ГШ и ВШ по кон­ структивным соображениям отнесены от центра вращения. От­ нос оси ВШ необходим, иначе нельзя было бы передать винту крутящий момент от вала. Относ оси ГШ улучшает характери­ стики управляемости вертолета, так как позволяет передать на втулку моменты тангажа и крена. У двухлопастных винтов типа качалки (с качающейся втулкой) и у карданных винтов (со втулкой на карданном шарнире) ось ГШ проходит через центр

• = ? —

J2

а

г

Рис. 5.4. Движение лопасти несущего винта.

а —маховое движение и качание; б —установочное движение.

вращения, а ВШ отсутствуют. Наконец, у бесшарнирных вин­ тов маховое движение и качание происходят в основном за счет изгиба комлевой части лопасти. Такие винты можно приближен­ но считать эквивалентными шарнирным винтам с большим от­ носом шарниров (а также и с пружинами в шарнирах, имею­ щими некоторую эффективную жесткость).

Основными движениями лопасти являются повороты в гори­