Иосиф Ольшаницкий



 

27

27.0904.

 

                                  ВЕРТОЛЁТЫ

 

     На днях я в один присест внимательно прочёл всю, а не только лишь в очередной раз полистал купленную 10 лет тому назад книгу Лебедь 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 (реальный предел – до 0,96), 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 ¾ 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 воздуха 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 чего циклически меняется её угол атаки. Желательно уменьшать это её движение и угол атаки.

     Лопасть движущегося вертолёта испытывает циклические удары лобового сопротивления воздуха, вследствие чего она совершает колебательное движение и в плоскости вращения винта, на своём вертикальном шарнире, что в какой-то мере компенсирует разность скоростей потока на лопастях наступающей и отступающей. Это обстоятельство благоприятно, и его стараются по возможности использовать.

 

     «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 несколько десятков градусов. Оказывается, давно уже, хотя и настойчиво, но безрезультатно предпринимались довольно серьёзные попытки реализовать такую концепцию. Непонятно, какими именно техническими приёмами.

     В книге В. Лебедя ничего не сказано о том, чем было обеспечено отклонение лопасти на углы до 40 градусов. В том справочнике нет ни слова ни об использовании с этой целью явления резонанса; ни о воображаемых мною устройствах для создании кориолисовых и иных дополнительных цикличных, постоянных, переменных, управляемых сил, например, аэродинамических или реактивных; ни о каких-либо предложенных для этого необычных конструкциях такой лопасти; ни о средствах управления ею; ни о необычных автоматах перекоса воздушного винта и системах их совместного взаимодействия.

 

     Была ли предложена концепция РЕЗОНАНСА?

 

     Попробуем оценить возможность обеспечения раскачки лопасти в плоскости вращения винта за счет создания резонанса свободных колебаний лопасти на её вертикальном шарнире с колебаниями вынужденными, - под действием ударов лобового сопротивления воздуха с каждым оборотом винта.

 

      К примеру. Тяжёлый транспортный вертолёт Сикорского S-56 для переброски групп десантников до 26 человек имел 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 = 255м/сек), - как обычно. Получается что-то около четырёх оборотов в секунду (255 : [22 х 3,14] = 3,7сек). Лопасть такого винта от  вертикального шарнира до своего конца должна иметь длину чуть более десяти метров. В уме можно посчитать, что период математического маятника длиной 9,8м равен двум ''пи'' (2 х 3,14 = 6,28 сек). Период математического маятника пропорционален корню квадратному из отношения длины маятника к ускорению силы тяжести. 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 меньший период свободных колебаний, поскольку его масса не сосредоточена в конце его длины. Не будем считать ни в уме, ни на бумаге. Интуитивно предположим, что его период колебаний на треть меньше, то есть чуть больше четырёх секунд (6,28 х 0,67 = 4,2сек).    

      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 под действием центробежных сил она тоже является физическим маятником, период свободных колебаний которого зависит от центробежной силы, то есть от частоты оборотов винта. Формулы периода колебаний 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 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 пятилопастным несущим винтом  диаметра 21,3м  имеет максимальную грузоподъёмность 12000кг, то есть по 2400кг на каждую его  лопасть весом  705кг.

     Вертолёт МИ-26 с восьмилопастным несущим винтом диаметра 32м  имеем максимальную грузоподъёмность 56000кг, то есть по 7000кг на каждую его лопасть весом всего 375кг.

     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 в параллелограмме разложения сил, как огромна 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 быстрому росту горизонтальной амплитуды раскачивания лопасти на вертикальном шарнире.

     По мере того как будет расти амплитуда отклонений лопасти от  радиального её положения на несущем винте в плоскости вращения этого воздушного винта, 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.  Эта частота ударов равна частоте оборотов винта. Она определяет центробежную силу и, следовательно, частоту свободных колебаний лопасти, зависящую от этой центробежной силы.  

     А частота вертикальных свободных колебаний лопасти при этом вследствие достаточно малых амплитуд (всего лишь упругих деформаций изгиба лопасти) будет оставаться почти неизменной, что закономерно для колебаний лишь с достаточно малыми амплитудами.

     И вообще частота свободных колебаний упругой деформации изгиба лопасти в вертикальной плоскости существенно выше, чем частота раскачки лопасти на вертикальном шарнире под действием центробежных сил.

     В изгибающейся лопасти можно усмотреть как бы 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 превзойдёт частоту оборотов воздушного винта.

     Вынужденные колебания лопасти в виде маховые движений возникают в вертикальной плоскости вследствие цикличности величины аэродинамической подъёмной силы при создании перекоса воздушного винта. Автомат перекоса циклично меняет угол атаки лопасти, тем самым циклично изменяя её подъёмную силу. Так возникают 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 маховых движений лопасти в вертикальной плоскости значительно выше частоты оборотов 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 меньше, чем в плоскости вертикальной и этот период уменьшается 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 воздухом. Частоту оборотов винта в горизонтальном и скоростном полёте машины следует держать равной частоте свободных колебаний лопасти на вертикальном шарнире. Эта 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 быстрее, чем центробежная сила. (Аналогичным образом и в формуле математического маятника период его свободных колебаний растёт быстрее, чем уменьшается величина ускорения свободного падения, не везде точно одинаковая в разных районах Земли.)

 

      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. Предельно допустимые условия работа лопасти из-за её чрезмерных взмахов под действием цикличности аэродинамической подъёмной силы отодвигаются на большие предельные 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 с 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 четырёхлопастной 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 четырёхлопастным 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 72кг.

     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, в производстве современных вертолётов, а также и более мощное финансовое, научное, техническое обеспечение) выполнить БЕЗ горизонтальных шарниров лопастей.  Используя и ту самую «опережающе - запаздывающую», и резонансную концепции работы упругих, выполненных из стеклопластика лопастей несущего винта, установленных на далеко вынесенных вертикальных шарнирах звездообразной втулки, позволяющих отклоняться лопастям в плоскости вращения на углы до (…или даже более…) 40 градусов, можно добиваться достижения рекордных скоростей вертолёта, больших, чем замышлялось в эпоху тогда ещё малых скоростей.

 

     Горизонтальный полёт вертолёта должен осуществляться ПОД КОНТРОЛЕМ КОМПЬЮТЕРА, С ТРЕБУЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ОБОРОТОВ НЕСУЩЕГО ВИНТА В РЕЗОНАНС С ЧАСТОТОЙ СВОБОДНВЫХ КОЛЕБАНИЙ  ЛОПАСТИ НА ВЕРТИКАЛЬНОМ ШАРНИРЕ.  ЭТО ОСУЩЕСТВИМО ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛИШЬ ТАКОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ ЛОПАСТИ И РАСКАЧИВАЮЩИХ УДАРОВ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПО НЕЙ С ТАКОЙ ЧАСТОТОЙ ОБОРОТОВ ВИНТА, КОТОРАЯ СООТВЕТСТВУЕТ ДОЛЖНОЙ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЕ.

 

       Управлять лопастью можно не только поворотом её на продольном шарнире. Об иных средствах для осуществления перекоса воздушного винта и об их взаимодействиях, возможно, пофантазируем в какой-нибудь другой раз.


 
    Поставьте оценку: 
Комментарии: 
Ваше имя: 
Ваш e-mail: 

     Проголосовало: 6     Средняя оценка: 5