Купить диплом колледжа

Иосиф Ольшаницкий


ВЕРТОЛЁТЫ


     На днях в один присест я внимательно прочёл всю, а не только лишь в очередной раз полистал купленную 10 лет тому назад книгу Лебедя В. Г. и др. ВЕРТОЛЁТЫ СТРАН МИРА, 1994 г, 225 стр.
     Когда-то мне запомнилось утверждение Миля М. Л. в его книге ВЕРТОЛЁТЫ, что те немногие, кому удалось сделать вклад в вертолётостроение, были теоретиками. Ещё тогда меня подмывало показать, что интересные мысли можно находить, даже не будучи специалистом. В истории изобретений таких случаев сколько угодно. Вот одна из моих давних фантазий по несущим винтам вертолётов, которая, похоже, когда-то приходила не только мне в голову и уже тогда казалась близкой к воплощению. Так ли это, не знаю, я не авиаинженер.
    
     Скорость вертолёта ограничена предельными условиями работы лопасти несущего винта вертолёта. Конец наступающей лопасти не должен двигаться быстрее звука (рекордный предел - 0,96 М), а та часть отступающей лопасти, что находится ближе к оси воздушного винта, не должна слишком уж безобразным образом резать воздух задней кромкой.
     Обычно круговая скорость конца лопасти висящего вертолёта равна приблизительно ? скорости звука. При горизонтальном движении вертолёта скорость обтекания потоком наступающей лопасти складывается из окружной скорости, например, её конца и скорости вертолёта. В это время скорость потока на каждом участке отступающей лопасти равна разности окружной скорости того участка и скорости вертолёта. Лопасть вертолёта на марше испытывает за период оборота винта переменную подъёмную силу и поэтому подвержена всевозможным циклическим деформациям с частотой оборотов винта. Она совершает маховое движение на своём горизонтальном шарнире. Вследствие этого циклически меняется её угол атаки. Желательно уменьшать это движение и, соответственно, нежелательно большой угол атаки отступающей лопасти.
    
     Лопасть движущегося вертолёта испытывает циклические удары лобового сопротивления воздуха. Вследствие этого она совершает колебательное движение и в плоскости вращения винта, на своём вертикальном шарнире. Это в какой-то мере компенсирует разность скоростей потока на лопастях наступающей и отступающей. Обстоятельство это благоприятно, и его стараются по возможности использовать. В Международной классификации изобретений есть рубрика, относящаяся к устройствам для горизонтального раскачивания лопасти.
    
     «В начале 60-х годов фирма Белков по контракту с военным ведомством ФРГ работает над созданием экспериментального вертолёта Во-46. На вертолёте применяется экспериментальный, скоростной винт фирмы Дершмит, использующий ''опережающе-запаздывающую'' концепцию работы лопастей несущего винта на далеко вынесенных шарнирах звездообразной втулки, позволяющей отклоняться лопастям в плоскости вращения на углы до 40 градусов. Эта концепция должна была обеспечить достижение в горизонтальном полёте скорости порядка 500 км/ч без боязни столкнуться с проблемами сжимаемости и срыва потока воздуха на лопастях несущего винта.
     После продувок такого винта в аэродинамической трубе, которые подтвердили возможность работы винта на этих скоростях, 30 января 1964 года начались лётные испытания вертолёта, но в 1966 году работы были прекращены. На основе этой концепции предполагался вариант 24-местного вертолёта Р.310.» (См. кн. В. Г. Лебедя, стр. 144).
    
     Устройство, как можно понять, оказалось слишком проблематичным.
    
     Ещё ни разу не увидев вертолёта даже издали, я когда-то по-юношески фантазировал о возможности горизонтальной раскачки лопасти до углов в несколько десятков градусов. Однако оказывается, что давно, настойчиво, но безрезультатно предпринимались уже серьёзные попытки реализовать такую концепцию.
     В книге В. Лебедя ничего не сказано о том, чем было обеспечено отклонение лопасти на такие большие углы. В том справочнике нет ни слова ни об использовании с этой целью явления резонанса, ни о воображаемых мною устройствах для создания сил Кориолиса и/или иных дополнительных сил, например, аэродинамических или реактивных. В этой книге не упоминается о каких-либо предложенных для этого необычных конструкциях: ни о такой лопасти, ни о таких средствах управления, ни о необычных автоматах перекоса воздушного винта, ни о системах взаимодействия различных автоматов перекоса.
    
     Была ли предложена концепция РЕЗОНАНСА?
    
     Попробуем оценить возможность обеспечения раскачки лопасти в плоскости вращения винта - за счет создания резонанса свободных колебаний, соответствующих величине центробежной силы, с колебаниями вынужденными - под действием удара лобового сопротивления воздуха с каждым оборотом винта.
    
     К примеру. Тяжёлый транспортный вертолёт Сикорского S-56 для переброски групп десантников до 26 человек имеет несущий воздушный винт диаметром 22 м. Нетрудно в уме посчитать частоту его оборотов, исходя из линейной скорости конца лопасти в три четверти скорости звука (340 х 0,75 = 255 м/сек), - как обычно. Получается что-то около четырёх оборотов в секунду (255 : [22 х 3,14] = 3,7 об/сек). Лопасть такого винта от вертикального шарнира до своего конца имеет длину чуть более десяти метров. В уме посчитаем. Период колебания математического маятника длиною 9,8 м равен двум «Пи». (2 х 3,14 = 6,28 сек. Период математического маятника пропорционален корню квадратному из отношения длины маятника к ускорению свободного падения. Коэффициент пропорциональности равен двум «Пи»). Если не компактный груз, а лопасть подвесить вертикально, на её шарнире, то такой маятник является не математическим, а физическим. У него период свободных колебаний должен быть поменьше, поскольку его масса не сосредоточена в конце его длины. Не будем считать ни в уме, ни на бумаге. Интуитивно предположим, что его период колебаний приблизительно на треть меньше, то есть чуть больше четырёх секунд (6,28 х 0,67 = 4,2 сек).
     Итак. Лопасть длиною в десять метров при горизонтальном полёте вертолёта совершает приблизительно четыре вынужденных колебания в секунду, раскачиваясь относительно своего радиального положения на несущем винте под действием ударов лобового сопротивления воздуха. Если её подвесить на шарнире вертикально, как качели, то она имеет частоту свободных колебаний в поле силы тяжести приблизительно на порядок меньшую. Расположенная горизонтально в несущем винте она под действием центробежных сил тоже является физическим маятником, период свободных колебаний которого зависит от центробежной силы, то есть от частоты оборотов винта. Формулы периода колебаний такого физического маятника под действием силы тяжести и под действием центробежной силы - аналогичны.
     Допустимая скорость обтекания потоком конца лопасти накладывает ограничения на допустимую угловую скорость несущего винта определённого диаметра. Однако, для создания нужных центробежных сил с целью обеспечения нужной частоты свободного колебания лопасти на вертикальном шарнире, равной частоте оборотов несущего винта, есть возможность подобрать требуемые для этого и диаметр несущего винта, и длину лопасти от её конца до её вертикального шарнира, исходя из весьма простых формул механики. Из размеров винта и лопасти следует соответствующая грузоподъёмность.
     Вертолёт МИ-8 с 5-лопастным несущим винтом диаметра 21,3 м имеет максимальную грузоподъёмность 12000 кг, то есть по 2400 кг на каждую его лопасть весом 705 кг.
     Вертолёт МИ-26 с 8-лопастным несущим винтом диаметра 32 м имеем максимальную грузоподъёмность 56000 кг, то есть по 7000 кг на каждую его лопасть весом всего 375 кг.
     Под действием центробежных сил лопастей и тяжести вертолёта, висящего на лопастях, как бельё на хорошо натянутой верёвке, лопасти несущего винта расположены под каким-то углом к плоскости его вращения. Этот угол, такой малый, что не очень заметен глазом, даёт представление о том (в параллелограмме разложения сил), как велика центробежная сила в сравнении с весом лопасти. Из формулы периода колебаний физического маятника (или хотя бы маятника математического) понятно, как мал период свободного колебания лопасти на шарнире несущего винта вертолёта при его горизонтальном полёте по сравнению с периодом свободного колебания такого маятника под действием силы земного тяготения.
    
    
    
    
    
     Период малых колебаний маятника не равен периодам колебаний с большой амплитудой.
     Ограничим вертикальные движения лопасти устранением горизонтального шарнира. Однако, при этом будем способствовать росту горизонтальной амплитуды раскачивания лопасти на вертикальном шарнире.
     По мере того как будет расти амплитуда горизонтальных отклонений лопасти от радиального её положения на несущем винте, будет уменьшаться частота таких свободных колебаний.
     Для возникновения раскачивающего резонанса она должна быть равной частоте колебаний вынужденных под раскачивающими ударами лобового сопротивления воздуха по лопасти. Для сохранения резонанса, раскачав лопасть, частоту её вынужденных колебаний тоже требуется уменьшить за счёт уменьшения центробежной силы, то есть за счёт уменьшения угловой скорости воздушного винта.
     Это значит, что разгон вертолёта и горизонтальная раскачка лопастей осуществляется во временном режиме повышенной мощности работы двигателя, - с набором высоты и при раздельном управлении шагом и газом. По-видимому, без компьютера, управляющего взаимодействием систем двигателя и механизмов воздушного винта нам не обойтись
     Резонанса вертикальных колебаний лопасти не может случиться по той причине, что в полёте винтокрылой машины частота вертикальных свободных колебаний лопасти всегда выше частоты её горизонтальных свободных колебаний. При этом разница между этими частотами будет расти с ростом амплитуды горизонтальной раскачки лопасти.
    
     В изгибающейся лопасти можно усмотреть как бы горизонтальные «шарниры» в любом месте по всей её длине. Поскольку от конца лопасти до каждого из таких «шарниров» расстояние меньше, чем длина всей лопасти, то и общий период свободных колебаний такого упругого физического маятника должен быть меньше, чем у жёсткого физического маятника той же длины. Силы упругости способствуют ещё большей частоте свободных колебаний такого физического маятника в вертикальной плоскости.
     Ещё до отрыва вертолёта от земли (то есть ещё до того, как возникнут причины горизонтальной раскачки лопасти, то наступающей, то отступающей - при горизонтальном полёта машины) частота свободных вертикальных колебаний лопасти должна быть выше частоты её вынужденных вертикальных колебаний под действием цикличных аэродинамических сил, - то есть быть выше частоты оборотов воздушного винта. Проскакивая резонансную частоту вертикальных колебаний лопасти, воздушный винт должен набрать необходимую угловую скорость без перекоса винта, - чтобы не было циклических изменений подъёмной силы лопасти.
     Вынужденные колебания лопасти в виде маховых движений в вертикальной плоскости возникают вследствие цикличности величины аэродинамической подъёмной силы, обеспеченной цикличным изменением угла атаки профиля лопасти для создания перекоса воздушного винта. Автомат перекоса, поворачивая лопасть на её продольном шарнире, циклично меняет угол атаки лопасти, тем самым циклично изменяя её подъёмную силу. Так создают вынужденные колебания такого маятника в вертикальной плоскости, то есть лопасти. Этот физический маятник в зависимости от центробежной силы, растущей с ростом частоты оборотов несущего винта, имеет свой период свободных колебаний, уменьшающийся вследствие увеличения центробежной силы. Для подъёма и удержания вертолёта в воздухе эта центробежная сила столь велика, что частота свободных колебаний лопасти в вертикальной плоскости значительно выше вынужденной частоты, то есть частоты цикличного изменения подъёмной силы, соответствующей оборотам несущего винта. Во время полёта машины частота свободных колебаний лопасти в вертикальной плоскости не может уменьшиться до частоты вынужденных колебаний лопасти в этой же плоскости. Поэтому резонансной раскачки лопасти в вертикальной плоскости случиться не может.
     Период колебания лопасти в горизонтальной плоскости больше, чем в плоскости вертикальной, и этот период увеличевается с ростом амплитуды этого движения. Это движение может начаться только лишь уже при горизонтальном полёте вертолёта, причём со скоростью, которая уже достаточно начинает сказываться на поведении лопасти вследствие цикличных скоростей обтекания её потоком. Частоту оборотов винта в горизонтальном, скоростном полёте машины следует держать равной частоте свободных колебаний лопасти на вертикальном шарнире. Частота таких колебаний сама зависит от центробежной силы, то есть от частоты оборотов винта. Зависимость эта вполне определённая.
     Частота таких свободных колебаний этого физического маятника растёт медленнее, чем центробежная сила. Аналогичным образом и в формуле математического маятника период его свободных колебаний пропорционален корню квадратному от величины ускорения свободного падения.
    
     Разница в скоростях потока на лопастях наступающей и отступающей компенсируется в существенной мере обеспеченным отставанием и опережением лопасти на десятки градусов от её радиального положения в несущем воздушном винте.
     Поэтому предельно допустимые условия работа лопасти вследствие слишком большого угла атаки опускающейся лопасти тоже отодвигаются на большие скорости вертолёта.
    
     Возможность работы несущего воздушного винта с лопастями, не имеющими горизонтального шарнира, подтверждается продолжением приводимой выше цитаты.
    
     «Следующий проект, на котором отделение Белков сконцентрировало свои усилия, - разработка вертолётов с жёстким несущим винтом. Концепция такого несущего винта со втулкой, аналогичной втулкам самолётных винтов изменяемого шага, и упругими лопастями из стеклопластика была предложена инженером Вейландом. В начале 60-х годов был построен и испытан на земле винт такой конструкции. В 1962 году начинается проектирование вертолёта с жёстким несущим винтом, который был построен в 1964 году. Жёсткий несущий винт был испытан на вертолёте SA-318C по совместной программе с фирмой Сюд Ависьон.
     16 февраля 1967 года совершил первый полёт опытный прототип вертолёта Во.105, имеющий жёсткий 4-лопастной несущий винт и силовую установку из двух ТВД. Первый прототип вертолёта Во.105 с обычным винтом разрушился от резонанса в процессе наземных испытаний.
     Серийный образец с обозначением В.105А начал выпускаться в 1969 году.
     Вертолёт оснащён 4-лопастным несущим винтом с жёстким креплением лопастей прямоугольной формы в плане. Лопасти складывающиеся, изготовлены из стеклопластика и имеют линейную крутку 8 градусов. Втулка несущего винта выполнена из титанового сплава и имеет массу всего 72 кг.
     Вертолёт нашёл применение в ФРГ, Великобритании, Испании, США, Канаде. Серийно выпускается фирмой Геликоптер Канада». (Стр. 144, там же).
    
     Концепцию резонанса можно реализовать, если несущий винт (имея уже и накопленный опыт в проектировании, в использовании и в производстве современных вертолётов, имея также и более мощное финансовое, научное и техническое обеспечение) выполнить БЕЗ горизонтальных шарниров лопастей.
     Используем резонанс для реализации той «опережающе - запаздывающей» концепции работы упругих, выполненных из стеклопластика лопастей, установленных на далеко вынесенных вертикальных шарнирах звездообразной втулки, позволяющей отклоняться лопастям в плоскости вращения винта на углы до 40 градусов. Этим можно добиваться достижения рекордных скоростей вертолёта, причём даже больших, чем замышлялось в эпоху тогда ещё малых скоростей.
    
     В 1986 году на специально подготовленном англо-французском вертолёте «Линкс» G (‘’Винтокрылая рысь’’) после установки новых лопастуй с необычной формой концевой части (сочетание уступа с саблевидностью) был установлен рекорд скорости - 400,87 км/ч. Это в 5 раз больше максимальной скорости первых вертолётов послевоенных лет.
     Максимальная скорость вертолёта огневой поддержки Хьюз-77 [АН-64А “Апач”, США] - 320 км/час. Профиль лопасти у него необычен.
     У российского боевого вертолёта К-50 (‘’Чёрная акула’’) максимальная скорость - 310 км/ч (в пологом пикировании - до 350 км/ч).
     Максимальная скорость транспортно-десантного вертолёта Bell/Boeing V22 Osprey (США) - 571 км/ч [по новейшим данным - 620 км/ч.]. Взлётная масса - 21546 кг. Расположенные на крыльях два воздушных винта диаметром 11,58 м поворачиваются из вертикального в горизонтальное положение, становятся не несущими, а тянущими и превращают вертолёт в самолёт.
    
     Возможности винтокрылых машин не исчерпаны.
     ПОЛЁТ ВЕРТОЛЁТА В РЕЖИМЕ РЕЗОНАНСА КОЛЕБАНИЙ ЛОПАСТИ ДОЛЖЕН ОСУЩЕСТВПЯТЬСЯ ПОД КОНТРОЛЕМ КОМПЬЮТЕРА. ОН (В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СКОРОСТИ ВЕРТОЛЁТА, ОТ ЕГО ВЕСА, ОТ СКОРОСТИ НАБОРА ВЫСОТЫ ИЛИ СНИЖЕНИЯ) ЗАДАЁТ ТРЕБУЕМЫЙ ОБЩИЙ И ЦИКЛИЧНЫЙ ШАГ ЛОПАСТИ И - ОТДЕЛЬНО ОТ УПРАВЛЕНИЯ ШАГОМ - ДОЛЖНЫЙ ГАЗ ПРИ ДОЛЖНОЙ ЧАСТОТЕ ОБОРОТОВ НЕСУЩЕГО ВИНТА, В РЕЗОНАНС С ЧАСТОТОЙ СВОБОДНВЫХ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАСТИ НА ВЕРТИКАЛЬНОМ ШАРНИРЕ.
    
     В 60-е годы ещё не было возможности применять бортовые компьютеры для автоматизации управления столь сложно взаимодействующими системами работы вертолёта.
    
     Управлять лопастью можно не только поворотом её на продольном шарнире.
     В развитие концепции резонанса (и не только в связи с нею) об иных средствах управления лопастью и о взаимодействии нескольких необычных автоматов перекоса мы, возможно, пофантазируем ещё, но в какой-нибудь другой раз.
     Мне особо хочется изложить свою идею изменяемого профиля, в частности, даже пульсирующего, - с частотой оборотов несущего винта! Она удивительно проста и уже нашла боевое применение, но не в геликоптерах.

 
Скачать

Очень просим Вас высказать свое мнение о данной работе, или, по меньшей мере, выставить свою оценку!

Оценить:

Псевдоним:
Пароль:
Ваша оценка:

Комментарий:

    

  Количество проголосовавших: 6

  Оценка человечества: Очень хорошо

Закрыть