ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Аэродинамика несущего винта из "Теория вертолета " Предлагаемая вниманию читателей монография известного американского специалиста по вертолетам представляет собой наиболее полное на сегодняшний день изложение теории вертолета, включающее целую иерархию математических моделей аэродинамики, динамики, аэроупругости, управляемости и устойчивости движения вертолета. При изложении аэродинамики несущего винта много места отведено классическим схемам импульсной теории винта. Рассмотрены модели вихревой теории, которые допускают аналитическое решение, хотя бы приближенное. Впервые так полно излагаются теория обтекания лопасти нестационарным потоком с учетом повторного влияния вихревого следа и методы расчета шума, создаваемого вертолетом. Вопросы динамики лопастей несущего винта рассмотрены в книге весьма подробно вгОють до использования наиболее сложного представления движения дифференциальными уравнениями с периодическими коэффициентами. При исследовании динамики несущего винта и вертолета в целом автор, отступая от традиционной формы изложения, широко пользуется весьма уместным здесь математическим аппаратом теории автоматического управления. [c.5] Книга вообще написана своеобразно. Большинство вопросов автор излагает неоднократно, но каждый раз все более подробно. В результате каждую главу можно читать практически независимо. Такой подход способствует творческому усвоению материала студентами, а квалифицированным специалистам позволяет начать изучение проблем с желаемого уровня их детализации. [c.5] По широте охвата, глубине рассмотрения и методу изложения материала книга У. Джонсона представляет собой значительное явление в литературе по вертолетам. Ее можно рассматривать и как учебное пособие, и как подробный справочник, своего рода энциклопедию по теории вертолета. Несомненно, эта книга будет полезна научным работникам и инженерам вертолетной промышленности, а также студентам старших курсов и аспирантам соответствующих специальностей. [c.6] Ниже приведены основные обозначения, использованные в книге. В список не включены обозначения, встречающиеся только в одной главе. Очень часто используются безразмерные величины, масштабами которых служат плотность р воздуха, частота вращения Й несущего винта и его радиус R (см. также разд. 1.3). [c.7] Вертолет — это летательный аппарат, в котором для создания подъемной и пропульсивной сил, а также для управления используются вращающиеся крылья. На рис. 1.1—1.3 показаны наиболее распространенные типы вертолетов. Лопасти несущего винта вращаются вокруг вертикальной оси, ометая диск в горизонтальной или почти горизонтальной плоскости. Аэродинамические силы возникают вследствие движения крыла относительно воздуха. Вращающиеся крылья вертолета могут создавать эти силы даже тогда, когда скорость самого аппарата равна нулю. В этом отличие вертолета от летательного аппарата с фиксированными крыльями, который для того, чтобы держаться в воздухе, должен перемещаться. Таким образом, вертолет способен совершать вертикальный полет, включая вертикальные взлет и посадку. Эффективность вертикального полета — важнейшая характеристика несущего винта вертолета. [c.17] Однако вертолет должен летать и горизонтально. Поэтому требуется средство для создания пропульсивной силы, преодолевающей сопротивление несущего винта и всего аппарата при полете вперед. Эта пропуЛьсивная сила создается, по крайней мере на малых скоростях полета, самим несущим винтом за счет наклона вперед вектора силы тяги. Кроме того, несущий винт может создавать силы и моменты, которые передаются аппарату и используются для управления его положением, высотой и скоростью полета. На самолете подъемную, пропульсив-ную и управляющие силы создают отдельные аэродинамические поверхности. На вертолете же все эти силы порождает несущий винт. [c.19] Движение шарнирно-подвешенной лопасти состоит в основ-нo 4 из поворотов ее как твердого тела в каждом из шарниров, причем этим поворотам препятствуют центробежные силы, которые создают восстанавливающие моменты, действующие на вращающуюся лопасть. Движение в горизонтальном шарнире (ГШ), ось которого лежит в плоскости диска винта (и перпендикулярна радиальному направлению вдоль лопасти), приводит к отклонению лопасти от плоскости диска. Такое движение называется 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 плоскости (плоскости взмаха). Так как центробежные силы значительно уменьшают изгибы, эти тоны сходны с колебаниями лопасти как твердого тела в шарнирах. Исключением является корневая часть лопасти, где изгиб наибольший. Кроме махового движения и качания лопасти имеется еще возможность изменения 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, называемое установочным движением, обычно осуществляют ее поворотом 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 плоскости взмаха максимальны. Существуют также конструкции несущего винта, в которых ОШ, ГШ и ВШ отсутствуют. У таких винтов изменение угла установки происходит за счет скручивания лопасти у ее корня. [c.22] Таким образом, конструкция втулки определяет способ осуществления махового движения и качания лопасти, что позволяет дать основную классификацию типов несущих винтов. [c.22] Расположение несущего винта (или винтов) на вертолете — это, по-видимому, его главная внешняя особенность и в то же время важный фактор, влияющий на его характеристики, главным образом устойчивость и управляемость. Обычно мощность от двигателя передают на несущий винт через вал, на котором создается крутящий момент. В установившемся полете результирующие сила и момент, действующие на вертолет, должны быть равны нулю. Таким образом, передаваемый на вертолет аэродинамический крутящий момент (реакция несущего винта на крутящий момент вала) должен быть как-то сбалансирован. Способ балансировки аэродинамического крутящего момента в основном и определяет схему вертолета. Как правило, вертолет строится либо по одновинтовой схеме (с одним несущим и одним рулевым винтами), либо по схеме с двумя несущими винтами противоположного вращения. [c.23] В вертолете одновинтовой схемы для балансировки аэродинамического момента (и осуществления путевого управления) используется вспомогательный винт малого диаметра. Этот винт размещен на хвостовой балке несколько позади края диска несущего винта. Плоскость диска рулевого винта обычно вертикальна, а его вал горизонтален и параллелен поперечной оси вертолета ). Сила тяги рулевого винта, действующая на некотором плече относительно вала несущего винта, уравновешивает аэродинамический момент последнего. В этой схеме несущий винт создает подъемную и пропульсивную силы, а также обеспечивает управление по крену, тангажу и высоте. [c.23] Режим вертикального полета, когда горизонтальная составляющая скорости равна нулю, — это основной режим, отличающий вертолет от других летательных аппаратов. Режим полета, при котором равны нулю как горизонтальная, так и вертикальная составляющие скорости, т. е. движение относительно невозмущенного воздуха вообще отсутствует, называется висением. Подъемную силу и управление на режиме висения обеспечивают изменением углов установки лопастей, создавая на них требуемые аэродинамические силы. Вертикальный полет может представлять собой набор высоты или снижение при этом диск винта горизонтален и, следовательно, сохраняется строго осевое протекание воздушного потока через диск. На практике вертолет должен быть способен и к горизонтальному полету. При полете вперед диск несущего винта остается почти горизонтальным, так что скорость набегающего потока складывается со скоростью вращения лопастей в плоскости диска. Подъемную силу и управление вертолетом по-прежнему обеспечивает несущий винт. Кроме того, посредством небольшого наклона вперед вектора силы тяги он создает необходимую для полета вперед пропульсивную силу. [c.24] У винтокрылого аппарата, называемого автожиром, авторотация 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 несущий винт не поступает. Мощность и пропульсивную силу, требуемые для горизонтального полета, обеспечивает пропеллер или другой движитель. Следовательно, автожир по принципу действия 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 автожире, как и на самолете, используют фиксированные аэродинамические поверхности, но лучше, если управление обеспечивает несущий винт. Несущий винт действует в значительной степени как крыло и характеризуется весьма большой величиной отношения подъемной силы к сопротивлению. Правда, аэродинамические характеристики несущего винта не столь хороши, как у крыла, зато он способен обеспечить подъемную силу и управление при гораздо меньших скоростях. Следовательно, автожир может летать со значительно меньшими скоростями, чем самолет. Однако без передачи мощности на несущий винт автожир не способен к насто.хщему 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 вертикальные взлет и посадка аппарата. [c.25] СОН (США, 1880-е гг.). Он ясно понимал, что основная трудность 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 только моделями, но их конструкторы уже начали обращать внимание на проблему адекватного источника мощности, требуемой для полета. Паровая машина оказалась непригодной для летательного аппарата, особенно для вертолета, вследствие ее низкой удельной мощности. [c.27] К 1935 г. автожиры достигли высокого развития как в Европе, так и в Америке, опередив вертолеты. Это объясняется тем, что, во-первых, автожир не предназначался для вертикальных полетов, а потому потребная мощность у него была меньше во-вторых, свободно вращающийся несущий винт механически проще. Кроме того, при разработке автожиров многое заимствовалось у самолетов, например двигатели и движители, а поначалу даже и система управления. Однако, не обладая способностью 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 постройка автожиров дала мощный толчок развитию теории винтокрылых аппаратов. Многие исследования автожира, проводившиеся в 20—30-х годах, заложили основу теории вертолета. [c.31] Камов (СССР) работал над вертолетами соосной схемы В 1952 г. был построен вертолет Ка-15 (трехлопастные несущие винты диаметром 10 м, полетная масса 1370 кг, двигатель мощ ностью 225 л. с.). А. С. Яковлев (СССР, 1952 г.) сконструировал вертолет продольной схемы Як-24. При разработке этого верто лета возник ряд проблем, связанных с его динамикой, но в 1955 г он был запущен в серийное производство. [c.34] МОЩНОСТЬ на валу 350 л. с.), которые заменили один поршневой двигатель мощностью 240 л. с., имевший тот же вес и занимавший то же место. С этого времени турбовальный ГТД становится обычной силовой установкой всех вертолетов, кроме самых легких. [c.35] Вернуться к основной статье