Как летает вертолет. Вертолетные двигатели: обзор, характеристики Строение винта вертолета

Любой вертолет классической схемы состоит из следующих компонент, при этом некоторые из них могут быть объединены в одном устройстве:

Голова;
Вал ОР;
Канопи (обьекатель);
Рама;
Хвостовая балка;
Хвостовой ротор;
Сервоприводы автомата перекоса;
Сервопривод угла поворота лопастей ХР;
Двигатель;
Регулятор двигателя (если электрическая модель);
Основная шестерня;
Вал ХР или ремень ХР;
Топливный бак или силовая батарея;
Регулятор бортового питания;
Аккомулятор бортового питания;
Приемник;
Гироскоп.

Теперь распишем каждый компонент поподробнее.

Голова

Голова - одна из важнейших частей вертолета, от её качества сборки их настройки на прямую зависят летные характеристики модели.

В голове современного вертолета используются как пластиковые, так и металлические части. При этом - далеко не всегда действует правило, что чем больше металла - тем лучше:) Тут дело в том - что производитель моделей разрабатывает их таким образом, что бы в случае аварии выходила из строя не вся голова, а только определенные части, которые относительно не дорого стоят и легко заменяются. Поэтому конечно металлическая голова хорошо и красиво - но далеко не всегда на много лучше пластиковой. Хотя тенденция последнего времени - поголовный переход на металл, сейчас практически не встретить серьезные вертолеты с пластиковыми головами.

Вал ОР

Передает вращающее усилие на голову. По большому счету - расходный материал, так как выходит из строя (гнется) практически при любом самом незначительном инциденте. Материал вала и его размеры специально так сделаны. Уж лучше погнется вал - чем другие, более дорогие детали.

Обтекатель (канопи)

Канопи - это защитный колпак, надеваемый на переднюю часть вертолета. Служит для защиты аккумулятора и электроники при неудачной встрече с землей, улучшает аэродинамику и внешний вид модели. Изготавливается из стекловолокна, иногда из пластика (на дешевых моделях). Поставляются в 3 вариантах:

Окрашенные;

Белые под покраску;

Белые в комплекте с наклейками.

Существует ряд небольших компаний, которые специализируются на эксклюзивных канопи под заказ, и стоят они очень даже не дешево:)

Рама

Рама - основной элемент вертолета,то, благодаря чему все компоненты вертолета соединяются вместе:) Основные задачи рамы:

Соединить все компоненты вертолета;
Защитить дорогую и хрупкую электронику в случае краша (от английского Crash - авария вертолета);
Обеспечить удобное и грамотное размещение компонентов внутри рамы;
Обеспечить грамотную и правильную разводку проводов;
Обеспечить удобный и быстрый доступ к компонентам для настройки и обслуживания.

Рамы можно разделить по следующим признакам:

Материал изготовления

Карбон. Лучший материал на данный момент, дающий максимальную крепкость и минимальный вес. Из недостатков - если сломалась - то уже сломалась, выкидываем и покупаем новую, ну и конечно - высокая цена.

Карбон снаружи, внутри стеклотекстолит. Этим последнее время грешат многие производители, особенно часто встречается на недорогих клонах (Клон - подделка вертолета известного бренда, естественно, более низкой цены. Качество сильно варьируется, есть практически не отличимые от оригинала, есть и откровенный хлам). Такие рамы хоть и менее крепкие по сравнению с настоящими карбоновыми, но при этом зачастую гораздо дешевле их. На вид практически не отличимы от карбновых.

Алюминиевые рамы. Последнее время встречаются всё реже, вытесняемые карбоновыми и пластиковыми рамами.

Алюминий приятен тем – что в случае серьёзного краша он не ломается – а гнётся – есть шанс выправить и продолжить летать. Но по остальным параметрам он проигрывает карбновым рамам.Так же часто встречается на очень дешёвых китайских клонах. При покупке такого нужно учитывать, что первое, на чём начинают экономить китайцы – на материале. Алюминий в таких рамах очень плохого качества, мягкий и гнётся пальцами. Такая рама не защищает ни от чего.

Пластиковые рамы. Встречаются как на дешёвых китайских поделках, так и на серьёзных брендовых моделях.

Естественно, качество пластика там и там отличается в разы. Большой плюс пластика в том – что можно делать рамы практически любой формы, при этом не сильно себя ограничивая. Ещё неоспоримым преимуществом пластика является то – что он в отличии от карбона - одинаково крепок во всех плоскостях, а карбон – только в плоскостях волокон.

Конструкция рамы

Рама собирается из двух половинок.

Рама состоит из четырёх частей.

Такие рамы менее крепкие, чем цельные.

Хвостовая балка

Несущий элемент конструкции вертолета.

Для того, что бы получить быструю, четкую и мощную отработку хвоста - то есть управление вращением вертолета вокруг оси - хвостовой ротор выносят на определенное расстояние от центра масс вертолета. Внутри балки проходит привод вращения ХР (если модель использует для вращения ХР мощность основного двигателя) или провода питания (на небольших электрических моделях, которые для вращения ХР используют отдельный небольшой двигатель на хвосте).

В качестве привода на вертолетах используют ремень или вал. Каждая конструкция имеет как плюсы, так и минусы. Подробнее обсудим их позже:) Балки ХР изготавливаются из алюминия, хотя последнее время появляются карбоновые апгрейды.

Хвостовая балка является расходным материалом, при краше вероятность её повредить - максимальна.

Хвостовой ротор

Так же, как и голова, может быть полностью алюминиевым или пластиковым, или частично и тем и тем. Конструктивно похож на верхнюю часть головы, только без автомата перекоса.

Сервоприводы автомата перекоса

Основные управляющие элементы. С помощью них управляется автомат перекоса.

Используется три штуки. Побираются так, что бы они имели одинаковые характеристики, и очень желательно - одного производителя, ибо, кто их китайцев знает, напишут одно, положить другое, в результате легко можно получит не линейность работы головы - одна из серв будет обгонять другие или отклонятся на больший угол.

Сервоприводы разделяют:

По типу управления:

Цифровые;
Аналоговые.

Цифровые имеют ряд преимуществ, таких как:

Большая точность
Большая скорость
Большее усилие

Так же они имеют один недостаток - большее энергопотребление, но достоинства цифровых сервомашинок с лихвой перевешивают этот небольшой недостаток.

По типу применяемых двигателей:

Обычные;
Безколлекторные.

Безколлекторные сервомашинки позволяют развить большее усилие, более надёжны и при этом потребляют меньше энергии. Но это пока новинка, стоят дорого:)

По материал применяемых в редукторе шестеренок:

Полностью металлические редукторы;
Полностью пластиковые редукторы;
Карбоновые редукторы;
Титановые редукторы;
Редукторы, использующие разные материалы (например, половина шестреней пластик, другая половина - металл).

Металлические редукторы более надёжны и крепки, в случае краша меньше вероятность выходая сервы из строя. Но при этом - иногда проще перебрать машинку и поменять шестерни. При этом цена металлических машинок выше. В общем - вечный спор, каждый выбирает по своему вкусу и кошельку.

Сервопривод угла поворота лопастей ХР

Это дополнительный сервопривод. Обычно отличается от сервоприводов автомата перекоса. Подбирается более быстрая серва и с большим усилием, так как при выполнении фигур высшего пилотажа - на данную серву приходятся очень большие нагрузки. Если сервы автомата перкоса можно встретить как аналоговые, так и цифровые, то сервы управления хвостом сейчас ставят в основном цифровые.

Хвостовые сервы ставят как внутри рамы вертолёта

так и на хвостовую балку

Стоит подчеркнуть, что серва, убранная в раму - более предпочтительный вариант - так как в случае краша - меньше вероятность того, что эта серва будет повреждена (проводку сервы и саму серву защищает рама).

Двигатель

Главный элемент, без которого вертолёт не летает:)

Соответсвенно, двигатели бывают электрические, ДВС и турбины. Более подробную классификацию я давал в статье о классификации вертолётов. Все современные вертолёты используют бесколлекторные двигатели.

Регулятор двигателя

В радиоуправляемом вертолёте используются достаточно мощные двигатели, которые потребляют большие токи и требуют серьёзных напряжений. Как пример, вертолёты 600-го класса сейчас поголовно переходят на так называемое HV-питание (HighVolt) - это означает, что двигатель питается от 2-х LiPo батарей, общим напряжением в 44 вольта и при этом токи достигают 80 ампер. Вот и посчитайте, какая там мощность. Естественно, что бы регулировать такие токи, приходится использовать отдельный высокомощный контроллер питания, который так же ещё называют ESC (Electronic Speed Control).

Вообще, основная задача регулятора - получить управляющий сигнал с приёмника - и выдать на двигатель ровно столько мощности, сколько соответствует сигналу. Эта задача хоть и кажется не такой сложной на первый взгляд, на самом деле очень сложна. Ибо на двигатель в полёте постоянно действует переменная нагрузка, при этом во время работы аккумулятор просаживается, плюс надо учитывать, что под конец полёта аккумуляторы выдают меньшую мощность, чем в начале, а этот странный пилот не хочет ничего слышать и требует лишь того - что бы у него всегда обороты ротора были стабильны и строго соответствовали значению, которое он задал. А если учесть то, что на производителей регуляторов накладываются ещё и ограничения по масса-габаритным характеристикам - то вы сможете представить - на сколько это сложное и тонкое устройство. Так же при выборе регулятора необходимо учитывать и то, что часто некачественные регуляторы становятся причиной пожаров, и сэкономив на данном элементе вы можете получить прекрасный костёр, в котором сгорит много более дорогой электроники.

Основная шестерня с обгонным подшипником

Основная шестерня и пиньон двигателя (небольшая шестерня, одеваемая непосредственно на вал двигателя) - образуют своеобразный редуктор, который позволяет уменьшить скорость вращения ОР до разумных приделов и увеличить мощность вращающего момента.

Так же внутри этого блока смонтирован обгонный подшипник. Его задача - в случае отключения двигателя - позволить лопастям вращаться по инерции. Шестерни делают пластиковыми. Чаще всего зубцы на шестерни и пиньоне - прямые.

Последнее время появилась тенденция использовать косые зубцы. По заверению производителей они позволяют увеличить площадь зацепа зубьев и заодно уменьшить шум.

Вал ХР или ремень ХР

Для передачи вращающего момента на ХР в вертолётах используется 2 типа передачи:

Передача с помощью вала;
Ременная передача.

Каждая из этих передач имеет свои достоинства и недостатки.

Ременная передача

Простота;
Дешевизна;
Стойкость к крашам.

Необходимо постоянно поддерживать натяжение ремня;
Возможно возникновение статического напряжения из за трения о стенки балки ХР;
Высокая вибрация.

Передача с помощью вала

Низкая вибрация (при использовании нормальных подшипников и отбалансированного вала);
Отсутсвие статического напряжения;
Нет необходимости натягивать и подтягивать, как ремень.

Достаточно небольшого зацепа задними лопостями о землю - и выходят из строя шестерни.

Топливный бачок

Вмещает объем топлива, достаточный для полёта в течении 5-10 минут, в зависимости от модели. Конструкция бачка выполнена таким образом, что бы обеспечить непрерывное поступление топлива в двигатель вертолёта.

Аккумуляторные батареи

Существующие электрические модели вертолётов требуют очень мощных батарей для питания силовой установки и электронного оборудования (сервоприводов, гироскопов, приёмников и т.д.), установленных на вертолёт.

Сейчас используют два типа аккумуляторов:

LiPo - литий-полимерные;
LiFePo - литий-железо-фосфатные.

Самые распространённые - LiPo .

Большая энергоёмкость;
Неплохая токоотдача;
Низкий саморозряд;
Незначительный перепад напряжения по мере разряда.

Пожароопасность при заряде/разряде;
Плохо работают при отрицательных температурах;
Небольшое количество циклов заряда-разряда (качественные выдерживают 200-300 циклов);
Очень чувствительные к переразряду.

Напряжение на одной банке -3.7В. Часто объединяют несколько банок в один пак. Соответственно, напряжение увеличивается (напряжение пака = количество банок умноженное на 3,7В). При этом при заряде пака из нескольких банок необходимо балансировать их. То есть зарядить паки таким образом - что бы их напряжение было одинаково. Расбалансировка приводит к тому - что одна из банок разряжается быстрее - и в результате может произойти переразряд - что скорее всего приведёт к смерти всего пака.

LiFePo появились позже.

Обладают рядом преимуществ по сравнению с LiPo, но пока не получили широкого распространения в среде вертолётчиков.

Преимуещества:

Меньший саморазряд;
Большее количество циклов;
Устойчивость к температурам;
Устойчивость к переразряду/перезаряду;
Больший ток разряда (порядка 30С постоянный, 100C импульсом);
Больший ток заряда (можно зарядить за несколько минут).

Но есть и недостатки:

Сами банки всегда имеют круглую форму (ограничение на толщину пака).

Регулятор бортового питания

Всё бортовое оборудование (окромя силовой части) - требует питающего напряжения в пределах от 4,5В до 7В. А напряжение, выдаваемое силовыми аккумуляторами - может составлять и 44В. Соответственно, что бы запитать бортовое оборудование - необходимо поставить специальный преобразователь, который будет выдавать требуемое напряжение.

Этот регулятор называется BEC (Battery Elimination Circuit). Часто BEC интегрируют сразу в ESC - регулятор двигателя. Но так же встречаются варианты с отдельным BEC, например, на вертолётах с ДВС, которые для бортового питания используют отдельную батарею, или на мощных вертолётах, в ESC которых BEC просто не предусмотрен.

Аккумулятор бортового питания

Встречаются конфигурации вертолётов, когда для питания аппаратуры используется помимо отдельного BEC ещё и отдельный аккумулятор.

Все эти ухищрения преследуют только одну цель - уменьшить вероятность краша. В полёте возможна ситуация, когда из строя выйдет ESC, или ещё какие проблемы с силовыми аккумуляторами - и что бы иметь шанс управлять вертолётом и всё же спасти его - ставят дополнительный небольшой аккумулятор, от которого через BEC и запитывают бортовое оборудование (приёмник, сервоприводы, гироскоп).

Приёмник

Основной управляющий элемент вертолёта. К приёмнику подключаются сервы, гироскоп, ESC. По сути - приёмник, это устройство, которое принимает команды по радиоканалу, расшифровывает их и передаёт в исполняющие устройства.

Вообще, современные радиомодели используют следующие диапазоны частот:

26МГц;
27МГц;
35МГц;
40МГц;
41МГц;
50МГц;
72МГц;
75МГц;
2,4ГГц.

Тенденция последнего времени - отказ от низких частот и переход на частоты диапазона 2,4ГГц. Это связанно с тем - что данный диапазон более помехозащищён, требует меньших по размеру передающей и приёмной части и т.д. В общем - 2,4 - лучше всего для вертолётов.

Понять, какой диапазон использует модель - довольно просто. Во первых - производитель обязан указывать, какой диапазон использует аппаратура, которую он продаёт, а во вторых - достаточно взглянуть на передатчик или приёмник. Если передатчик использует длинную выдвижную антенну на подобе удочки - а приёмник имеет длинную антенну в виде провода - то значит диапазон мегагерцовый.

Если антенна передатчика небольшая и напоминает антенну роутера, а приёмник имеет короткие усики - значит аппаратура 2,4ГГц.

Гироскоп

Последний по списку, но далеко не последний по важности и цене компонент вертолёта.

Задача гироскопа - удержать хвост вертолёта в том положении, в котором мы его оставили. Во время полёта хвост всё время стремится “уплыть”. Например, мы увеличили обороты двигателя, соответственно, и ХР начал вращаться быстрее и создавать большую силу при существующем угле положения лопастей ХР. Значит - хвост начнёт уходить в ту или иную сторону. Задача гироскопа - вовремя почувствовать этот эффект и скорректировать положение хвоста - уменьшив угол лопастей ХР. Гироскоп позволяет пилоту не подруливать всё время, пытаясь удержать хвост в нужном положении.

Уфф. Честно говоря - я сам не ожидал, что эта статья получится столь большой. Поэтому - принцип полёта модели вертолёта мы всё же рассмотрим в следующей статье:)

Хотите еще? Много интересного о вертолетах, теория и практика, обучение пилотажу и многое другое на...

Устройство одновинтового вертолета показано на
(рис.159)
1-лопасть несущего винта, 2-втулка и автомат-перекос, 3-главный редуктор, 4-соединительный вал, 5-промежуточный редуктор, 6-вал ведущий к хвостовому винту, 7-хвостовой винт, 8-редуктор хвостового винта, 9-опора, 10-хвостовая балка, 11-бак для бензина, 12-вентилятор, 13-основное шасси, 14-выхлопной колектор с глушителем, 15-бак для масла, 16-двигатель, 17-передняя стойка шасси, 18-приборная доска, 19-сиденья лётчиков

В качестве силовых установок вертолетов применяют поршневые двигатели воздушного охлаждения или турбовинтовые реактивные двигатели. Основными органами управления вертолетом в кабине летчика

(рис. 160)
1-доска приборов, 2-ручка управления, 3-педали, 4-рычаг "шаг-газ" , 5-ручка тормоза несущего винта, 6-ручка управления муфтой сцепления, 7-пульт управления, 8-сиденья пилотов, 9-сиденья пассажиров

являются ручка управления, педали ножного управления, рычаг управления общим шагом и корректор газа (рычаг «Шаг-газ»). Ручка управления расположена перед сиденьем летчика и связана с автоматом-перекосом. Отклонением ручки от нейтрального положения вперед достигается наклон вертолета на пикирование и движение его вперед; отклонением назад - наклон вертолета на кабрирование и движение его назад; вправо - наклон вертолета вправо и движение его вправо; влево - наклон вертолета влево и движение его влево.

Педали ножного управления расположены впереди сиденья летчика. Нажимая педали, летчик изменяет шаг рулевого винта, осуществляя тем самым путевое управление вертолетом. Рычаг управления общим шагом расположен обычно слева от сиденья летчика. С его помощью летчик управляет одновременно изменением шага (установочного угла) всех лопастей несущего винта. Движение рычага вверх соответствует увеличению шага и подъему вертолета. Изменение положения рычага общего шага одновременно вызывает и изменение частоты вращения двигателя.Лопасти несущих винтов вертолетов имеют шарнирную подвеску к втулке винта, которая позволяет им совершать повороты трех видов: вокруг продольной оси, изменяя свой установочный угол ф, называемый также шагом лопасти

(рис. 161, а)

Вокруг горизонтального шарнира, совершая маховые движения (рис. 161, б), причем взмах вверх и вниз конструктивно ограничен упорами (нижний упор ограничивает свисание лопасти при стоянке вертолета); вокруг вертикального шарнира (рис. 161, в). В настоящее время управление несущим винтом большинства вертолетов осуществляется с помощью автомата-перекоса, изобретенного Б. Н. Юрьевым. На

(рис. 162)
1,12-поводки тяг поперечного и продольного управления, 2,13-оси, 3-вращающееся кольцо, 4-шарики, 5.6-невращающееся кольца, 7,8-рычаги шлиц-шарнира, 9-ползун, 10,11-поводок и тяга осевого шарнира лопастей, 14-вал ротора, 15-рычаг общего шага

Схематически показано устройство автомата-перекоса. На вращающемся валу 14 несущего винта (ротора) имеется ползун 9,-который не вращается, но может двигаться вверх и вниз. На ползуне с помощью универсального шарнира с осями 2 и 13 подвешено кольцо 5. Через шарики 4 невращающееся кольцо 5 связано с вращающимся кольцом 3, т. е. кольцо 5, шарики 4 и кольцо 3 образуют шарикоподшипник. Кольцо 3 с помощью шлиц-шарнира (рычаги 7 и 8) соединено с валом несущего винта и вращается с такой же, как и вал частотой. Через тяги 11 вращающееся кольцо соединено с поводками 10 осевых шарниров лопастей. При движении ползуна 9 вверх угол установки лопастей, будет увеличиваться, а при движении ползуна вниз - уменьшаться. Чтобы понять, как влияет изменение шага лопастей на полет вертолета, рассмотрим вертикальный полет. Вертикальный полет достигается изменением общего шага лопастей. При этом угол атаки всех лопастей одновременно возрастает или уменьшается на одинаковую величину, что соответствует увеличению или уменьшению подъемной силы, а следовательно, подъему или снижению вертолета. Из рисунка видно, что если рычаг общего шага 15 поднять вверх, то поднимутся вверх и оба кольца - невращающиеся и вращающееся; шаг лопастей увеличится, в результате чего вертолет будет подниматься. Если же рычаг опустить вниз, то вертолет будет снижаться.

Вертолетом называется летательный аппарат тяжелее воздуха , подъемная сила которого создается одним или несколькими несущими винтами, приводимыми во вращение одной или несколькими силовыми установками (двигателями).

Наиболее распространенный тип вертолета с одним винтом и поршневым двигателем состоит из следующих основных частей: несущего винта, фюзеляжа, рулевого винта и шасси.

Несущий винт 1 служит для создания подъемной силы и тяги. При вращении несущего винта летчик с помощью ручки управления вертолетом 16 через автомат-перекос может изменять направление полной аэродинамической силы несущего винта R, перпендикулярной плоскости вращения концов лопастей, и тем самым создавать составляющую Р этой силы, направленную по касательной к траектории полета. Она аналогична силе тяги воздушного винта поршневого самолета или силе реакции газовой струи реактивного самолета и может меняться по величине в зависимости от угла наклона несущего винта, а следовательно, полной аэродинамической силы R.

Изменение величины аэродинамической силы несущего пиита осуществляется рычагом общего шага 17, с помощью которого производится перемещение вертолета в вертикальной плоскости (спуск и подъем).

В фюзеляже 2 вертолета расположены кабина для экипажа и пассажиров, поршневой двигатель 3 с системой передачи (трансмиссией) к главному редуктору 7 и баки с горючим н маслом.

В кабине экипажа сосредоточено все управление вертолетом и двигателем, в том числе: ручка управления вертолетом, рычаг общего шага несущего винта, ножное управление (педали), управление триммерами, системы управления двигателем, приборы и агрегаты, размещенные как на приборной доске, так и в других местах кабины, и другое оборудование вертолета.

Рычаг общего шага связан с дроссельной заслонкой двигателя. Это необходимо для того, чтобы при изменении шага несущего винта, т. е. при изменении нагрузки на двигатель, изменять газ так, чтобы обороты двигателя были постоянными. Поэтому рычаг общего шага несущего винта называют рычагом «шаггаз».

Трансмиссия на вертолете состоит из редуктора двигателя с муфтой включения и приводами на вентилятор и главный вал.

Главный редуктор вертолета через автомат-перекос и втулку связан с лопастями несущего винта, а через вал, расположенный в хвостовой балке, промежуточный редуктор и концевой вал, расположенный в концевой балке, связан с хвостовым редуктором 15 и рулевым винтом.

Рулевой винт служит для погашения реактивного момента, передаваемого от несущего винта на фюзеляж, а также для поворота вертолета вокруг вертикальной оси. Втулка рулевого винта механически связана с педалями ножного управления 18. Перемещая педали, летчик меняет общий шаг рулевого винта и изменяет тем самым величину развиваемой им тяги TV.

В полете требуется координированное действие всем;1 тремя органами управления в кабине - ручкой управления, рычагом «шаг-газ» и педалями.

Шасси. Вертолет имеет неубирающиеся шасси с передним колесом.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ И ИННОВАЦИЙ АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В.В. Дудник

КОНСТРУКЦИЯ ВЕРТОЛЕТОВ

Ростов-на-Дону

УДК 629.7 (075)

Д 81

Д 81 Дудник В.В. Конструкция вертолетов. – Ростов н/Д: Издательский дом ИУИ АП, 2005. – 158 с.

ISBN 5-94596-015-2

В учебном пособии излагаются: состав, назначение, устройство и процесс конструирования основных агрегатов и систем; конструктивно-силовые и кинематические схемы агрегатов, конструкций деталей и узлов агрегатов.

Для слушателей программы профессиональной переподготовки по направлению «Вертолетостроение», а также для специалистов-практиков.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Института управления и инноваций

авиационной промышленности

Научный редактор:

доктор технических наук, профессор И.В.Богуславский

ISBN 5-94596-015-2

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни трудно представить себе человечество без летательных аппаратов. Достойное место в ряду воздушных судов занимают вертолеты – летательные аппараты тяжелее воздуха, использующие несущий винт для перемещения в воздушной среде. Так как вертолетостроение сравнительно молодая сфера деятельности в ней идет активное изменение конструкции и технологии изготовления агрегатов. За последние годы стали применяться такие нововведения как сверхкритические трансмиссионные валы, активные гасители шума и вибрации, многозамкнутые лонжероны лопастей, монококовые фюзеляжи, гребни хвостовой балки и ряд других. К сожалению, Россия по ряду причин отстала в применении некоторых инноваций. В соответствии с этим необходимо стремиться к тому, чтобы максимально использовать опыт, накопленный в мировом вертолетостроении.

В данном учебном пособии предпринята попытка восполнить пробелы в освещении современных технологий, поэтому им уделено несколько больше внимания.

Главы 5 и 8 написаны совместно с Олейником Николаем Ивановичем.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕРТОЛЕТАХ

1.1. Классификация вертолетов

В настоящее время в мире производится несколько десятков типов вертолетов. Они имеют различное назначение, размеры и характеристики, однако основным критерием классификации вертолета принято считать его взлетную массу. Существует несколько мнений о весовой классификации. Зачастую она устанавливается законодательными актами того или иного государства. Так в российской гражданской авиации вертолеты разделены в зависимости от максимальной взлетной массы на четыре класса.

1 класс – 10т и более,

2 класс – от 5 до 10т,

3 класс - от 2 до 5т,

4 класс – до 2т.

На практике вертолеты чаще делят на сверхлегкие, легкие, средние, тяжелые. Здесь предлагается один из вариантов деления.

До 700кг – сверхлёгкие; 700-5000кг – лёгкие; 5000-15000кг – средние;

свыше 15000кг – тяжёлые.

Самым тяжелым вертолетом в мире был советский вертолет Ми-12 (105т), а среди серийных машин – Ми-26 (56т).

Несколько особняком в этом ряду стоят беспилотные вертолеты, использующиеся для разведки, мониторинга окружающей среды и сельхозобработки, взлетная масса которых колеблется от 80 до 1000кг.

Кроме того, вертолеты классифицируются по назначению как:

пассажирские; боевые; транспортные; сельскохозяйственные;

поисково-спасательные и другие.

Наличие на борту двигателей позволяет классифицировать воздушные суда по числу двигателей – одно, двух и трехдвигательные, и по типу – поршневые и газотурбинные.

Еще одной важной характеристикой является схема вертолета. Схему вертолета определяет способ уравновешивания реактивного момента несущего винта. В настоящее время применяют одно и двухвинтовую схему. Разрабатывавшиеся в Советском Союзе и США трех и даже четырехвинтовые схемы не нашли широкого применения.

Одновинтовая схема – предполагает наличие одного несущего винта и устройства, компенсирующего реактивный момент несущего винта. В качестве устройства компенсирующего реактивный момент обычно используется рулевой винт, но в некоторых случаях применяют и другие механизмы (рисунок 1а, б).

Двухвинтовая схема предполагает наличие двух несущих винтов, имеющих разнонаправленное вращение. Реактивные моменты таких винтов взаимно компенсируются. В свою очередь двухвинтовые вертолеты по расположению несущих винтов могут иметь:

∙ соосную схему – несущие винты противоположного вращения располагаются один над другим (рисунок 1в);

∙ продольную схему – синхронизированные между собой винты размещаются один впереди другого с наличием небольшой зоны перекрытия (рисунок 1г);

∙ поперечную схему – винты располагаются справа и слева от фюзеляжа (рисунок 1д);

∙ схему с пересекающимися винтами – две оси вращения наклонены под углом друг к другу (рисунок 1е).

В настоящее время в России преобладают вертолеты фирмы Камова и Миля. Первые вертолеты собственной разработки появились у Казанского вертолетного завода. Попытки разработки вертолетов легкого класса делаются на Украине. Основными европейскими производителями вертолетов являются консорциумы – Еврокоптер, состоящий из французской корпорации Еврокоптер Франц и немецкой Еврокоптер Дойчланд и АгустаВестланд, состоящий из итальянской ком-

пании Агуста и английской Вестланд. Корпорации Боинг, Сикорский и Белл являются наиболее крупными в США. Большую активность в этом секторе рынка последние годы проявляют компании Польши и ЮАР. В классе сверхлегких вертолетов успешно работают фирмы таких стран, как США, Бельгия, Италия, Канада. Японские фирмы Ямаха и Фуджи активно продвигают беспилотные сельскохозяйственные вертолеты.

Кроме того, следует отметить, что на североамериканском континенте большой популярностью пользуются другие винтокрылые летательные аппараты – одно-двухместные автожиры. Их производством занимается сразу несколько фирм.

Абсолютное большинство производителей вертолетов в мире использует одновинтовую схему. Летательные аппараты построенные по таким принципам создает фирма Миля. Соосную применяют на вертолетах фирмы Камова и на некоторых зарубежных беспилотных аппаратах. Поперечная схема применяется в настоящее время только на конвертопланах фирмы Белл, разработанных самостоятельно и в кооперации с фирмой Агуста. Продольную схему используют транспортные вертолеты фирмы Боинг. Схема с перекрещивающимися винтами является весьма сложной и применяется только фирмой Каман (США).

1.2. Создание вертолетов

Процесс создания нового вертолета или модификации существующего достаточно сложен и состоит из нескольких этапов (рисунок 2). Для принятия решения о начале проектирования вертолета или модификации должна накопится «критическая» масса требований. Эти требования вырабатывают различные службы:

∙ инженерные – на основе анализа разработок других фирм и собственных исследовательских работ, подготовленных к внедрению;

∙ маркетинга – на основе анализа текущих и перспективных потребностей рынка;

∙ эксплуатации – на основе анализа замечаний и предложений эксплуатирующих организаций;

∙ стилиста (дизайнера) – на основе анализа современных тенденций дизайна, с целью создания привлекательного облика вертолета.

Рисунок 1. Различные схемы расположения несущих винтов.

а – одновинтовая схема с рулевым винтом (вертолет Ми-28, Россия), б – одновинтовая схема с системой NOTAR (MD500, США), в – соосная (Ка-50, Россия), г – продольная (CH-47, США), д – поперечная (BA609, США-Италия), е - схема с пересекающимися винтами (K-MAX, США).

Требования зачастую находятся в противоречии друг с другом, поэтому после анализа их важности, срочности и стоимости вырабатывается компромиссный вариант, максимально отвечающий всем службам. На его основании осуществляется предварительное проектирование, в ходе которого выполняются аэродинамические и другие расчеты, определяется общая геометрия, состав оборудования, принимаются решения по наиболее важным техническим решениям, вырабатывается компоновка летательного аппарата. После выполнения предварительного производится рабочее проектирование. На этом этапе разрабатываются трехмерные модели деталей, узлов и агрегатов, выполняется их расчет на прочность, на основании которого принимается решение об облегчении или упрочнении элементов конструкции. На основании окончательной трехмерной модели составляется рабочая документация. Учитывая высокую степень компьютеризации авиационного производства, иногда производители используют упрощенную систему документации, в которой, например, чертеж детали показывает общий вид, но не имеет размерных данных. Потребители же такого чертежа всегда могут получить необходимую информацию с разработанной компьютерной модели расположенной в корпоративной сети. Результаты проектирования передаются в производство, где сперва происходит изготовление макетного образца, а затем и реального вертолета. Если модификация летательного аппарата не предполагает значительных изменений этап изготовления макетного образца может отсутствовать.

Летные и статические испытания подтверждают правильность расчетов. Следует отметить, что каждый этап, следующий после проектирования, приводит к частичному изменению конструкции вследствие устранения выявляемых недостатков. Результатом всей этой работы становится сертификат, разрешающий эксплуатацию летательного аппарата в той или иной стране мира. Для того, чтобы получить сертификат, воздушное судно должно соответствовать нормам летной годности, действующим на данной территории. Как правило, отдельно существуют нормы для гражданских и

военных вертолетов. Эти документы регламентируют показатели, которым должен удовлетворять весь аппарат или отдельные его агрегаты. Например, указывается какую величину ветра должен выдержать вертолет на том или ином режи-

Рисунок 2. Упрощенная схема процесса создания вертолета.

ме полета или какую шумность он не может превышать в зависимости от взлетного веса. Значительную часть норм составляют нормы прочности. Они рассматривают различные варианты нагружения аппарата в полете, на взлете и посадке, при стоянке и перемещении по аэродрому. Соответственно все случаи делятся на летные, посадочные и земные.

Несущие винты. На вертолетах применяют три типа несущих винтов, различие которых заключается в способах крепления лопасти к втулке и втулки к валу:

несущий винт с креплением каждой лопасти к втулке при помощи горизонтального, вертикального и осевого шарниров. Такой винт называют несущим винтом с шарнирным креплением лопастей;

несущий винт к втулке крепится жестко (имеется лишь осевой шарнир крепления лопасти), но зато сама втулка к валу крепится с помощью универсального шарнира (рис. 155, а). Такой винт называют винтом на кардане;

лопасти несущего винта крепятся к втулке и втулка к валу жестко, т. е. без шарниров (рис. 155, б); в системе крепления имеется лишь осевой шарнир. Такой винт называется несущим винтом с жесткими лопастями. Последний тип винтов в настоящее время применяется очень редко. Наибольшее применение получили винты с шарнирным креплением лопастей; реактивные вертолеты преимущественно имеют несущие винты на кардане.

Количество лопастей несущего винта меняется от двух до пяти. У одновинтового вертолета с шарнирным креплением лопастей устанавливать число лопастей меньше трех не рекомендуется. При числе лопастей меньше трех при косой обдувке сила R периодически изменяется, что приводит к нагружению корневых сечений лопасти знакопеременными изгибными напряжениями.

Лопасти имеют различную форму, но предпочтение отдается прямоугольной лопасти, так как она более проста в производстве. Отношение длины лопасти к ее максимальной ширине (хорде) принимается обычно равным 14:1 или 15:1. Форма профиля чаще всего двояковыпуклая симметричная, применяются также двояковыпуклые несимметричные профили. Толщина профиля колеблется в пределах от 7 до 20%; более толстые сечения применяются для корневых сечений лопасти. Для получения более высоких к. п. д. несущего винта лопасти имеют геометрическую крутку, это означает, что углы установки сечений лопастей вдоль по размаху уменьшаются. Рекомендуемая закрутка лопасти - 8-12°, если считать за крутку разность в углах установки корневого и концевого сечения лопасти. Имеются также лопасти с аэродинамической круткой, при которой вдоль размаха меняется форма профиля. Профили, имеющие большие значения с у и а крит, в этом случае устанавливаются на конце лопасти.

Лопасти несущих винтов могут быть смешанной, цельнодеревянной, цельнометаллической конструкции и пластмассовые.

Лопасти смешанной конструкции имеют стальной лонжерон, деревянные нервюры и стрингеры и полотняную или фанерную обшивку. Лонжерон, изготовленный, как правило, из одной сплошной ступенчатой трубы, является основным элементом, воспринимающим центробежную силу, изгибающий момент и момент кручения.

Лопасти цельнодеревянной конструкции изготавливаются из склеенных между собой продольных планок, покрыты фанерой и обтянуты авиационным полотном.

Более прочное и тяжелое дерево применяется для изготовления носка лопасти. Возможно изготовление цельнодеревянных лопастей каркасными, т. е. с лонжероном, набором нервюр и обшивкой. Но первая конструкция, хотя и имеет большой вес, более надежна в эксплуатации.

Главным недостатком лопастей, в конструкции которых используется древесина и полотно, является подверженность воздействию влаги, под действием которой деревянные детали набухают, влага способствует развитию гниения, ослаблению прочности, нарушению балансировки.

Лопасти металлической конструкции по сравнению с деревянной и смешанной конструкциями имеют значительные эксплуатационные преимущества. Они в меньшей степени подвержены воздействию атмосферных факторов, требуют менее строгого режима хранения и более долговечны. Кроме того, металлические лопасти имеют меньшее профильное сопротивление. Конструкция металлических лопастей весьма разнообразна, но почти во всех вариантах имеются типовые элементы.

Основным силовым элементом лопасти (рис. 156) является дюралюминиевый прессованный лонжерон, занимающий примерно 1/3 хорды, к которому приклеены хвостовые секции. Каждая секция представляет собой набор нервюр, приклеенных к тонкой обшивке.

Клеевые соединения элементов лопасти повсеместно вытеснили заклепочные соединения, а также соединения точечной сваркой.

В настоящее время для изготовления лопастей широкое применение нашли пластические материалы. Силовым элементом пластмассовой лопасти является полый носок-лонжерон, представляю

щий собой прессованный профиль. Задняя часть - хвостовик выполняется в форме обтекателя с тонкой обшивкой. Внутренний объем хвостовой части заполняется пористым пластиком.

пластмассовой конструкции имеют малый вес при повышенных значениях жесткости и прочности, просты в изготовлении.

Втулка несущего винта является связующим элементом между валом редуктора и лопастями несущего винта. При механическом приводе через втулку передается крутящий момент на винт; на втулке сосредоточиваются все инерционные и аэродинамические силы, возникающие на лопастях. Детали втулки изготавливаются из стальных или дюралюминиевых поковок и штамповок с последующей механической и термической обработкой. При шарнирной подвеске лопастей втулка должна иметь горизонтальный, вертикальный и осевые шарниры, ограничители колебаний лопастей и демпферы для гашения колебательных движений лопастей относительно вертикальных шарниров.

На рис. 157 изображена схема втулки трехлопастного несущего винта (демпферы гашения колебаний не показаны). Втулка состоит из корпуса 1, трех промежуточных скоб 2, трех вильчатых стаканов 4 с рычагами управления лопастями 3, трех шарниров - осевого 5, вертикального 6 и горизонтального 7, смонтированных на подшипниках.

Корпус втулки с валом соединяется с помощью шлицев и крепится корончатой гайкой. Центрирование корпуса на валу производится двумя конусными кольцами. Ограничителями махового движения лопастей относительно ГШ и ВШ являются упоры а, б, в, г. Ограничитель свеса а предназначен для того, чтобы при стоянке на земле служить опорой для лопасти.

На многих вертолетах этот упор делают подвижным; при невращающемся винте и малых оборотах отклонение лопасти вниз меньше, чем в полете.

Если колебания лопастей относительно ГШ сильно демпфируются изменением подъемной силы при их маховом движении, то этого не происходит при колебаниях лопастей относительно ВШ, так как аэродинамическое сопротивление при этих колебаниях меняется незначительно. Поэтому необходимо между каждой лопастью и втулкой устанавливать демпфер, который гасил бы колебания лопасти относительно ВШ.

Демпферы должны также выполнять роль буферов, предохраняющих лопасти от поломки при запуске несущего винта. На существующих вертолетах применяются демпферы двух типов: фрикционные и чаще гидравлические.

Рулевые винты. У одновинтовых вертолетов хвостовой винт предназначен для уравновешивания реактивного момента несущего винта и путевого управления. Хвостовой винт приводится во врашение двигателем через трансмиссию, а при отказе двига

теля и авторотации несущего винта - вращающимся несущим винтом через ту же трансмиссию. Изменение тяги, необходимой для управления вертолетом, достигается изменением угла установки лопастей винта. Изменение величины реактивного момента при изменении режима работы несущего винта происходит одновременно с изменением величины тяги хвостового винта. Это осуществляется блокировкой системы «шаг-газ» несущего винта с системой управления рулевым винтом. Таким образом, на всех режимах горизонтального полета компенсация реактивного момента несущего винта обеспечивается при неизменном (нейтральном) положении педалей ножного управления.

Конструкция рулевого винта включает втулку, лопасти и механизм изменения шага. В зависимости от размеров вертолетов количество лопастей хвостового винта может меняться от двух до пяти. Профиль лопасти, а также форма в плане обычно такие же, как и у несущего винта. Лопасти могут быть как деревянной, так и металлической конструкции.

Так как винт вращается в плоскости, параллельной вертикальной плоскости полета, работа лопастей происходит в условиях косого обдува. Для разгрузки лопастей от возникающих при этом переменных изгибных напряжений и уменьшения вибрации лопасти подвешены к втулке винта на горизонтальных шарнирах.

Фюзеляж вертолета, как и фюзеляж самолета, предназначен для размещения в нем экипажа, пассажиров, оборудования и грузов. К фюзеляжу крепятся несущий и хвостовой винты, шасси, рамы двигателей, элементы трансмиссии и другие агрегаты.

Внешние формы фюзеляжей различны и зависят прежде всего от схемы вертолета, а также от его назначения. Например, фюзеляж вертолета одновинтовой схемы имеет хвостовую балку круглого или овального сечения, на конце которой установлен рулевой винт. Фюзеляж вертолета двухвинтовой продольной схемы имеет сигарообразную форму с сужающейся в плане задней частью, которая служит килевой поверхностью, вертолеты «воздушные краны» имеют фюзеляжи, приспособленные для крепления и перевозки крупногабаритных грузов, и т. п.

Изготовляют фюзеляжи ферменной, балочной и смешанной конструкций.

Шасси вертолета предназначено для тех же целей, что и у самолетов. Способность вертолета взлетать без разбега и совершать посадку без пробега обусловила некоторое отличие взлетно-посадочных устройств по сравнению с аналогичными самолетными устройствами. Такими отличиями являются: меньшие размеры колес и шин, относительно больший ход поршня амортизатора для обеспечения более мягкой посадки.

В современных условиях встречаются вертолеты с тремя и четырьмя опорами, причем передние колеса делают всегда самоориентирующимися, что обеспечивает свободу маневра при рулении и автоматическую постановку колес по полету после отрыва вертолета от земли.

Шасси вертолета выполняется ферменным, балочным, рычажным, но, как правило, не убирающимся в полете. Однако в последнее время в связи с возрастанием максимальных скоростей на некоторых вертолетах устанавливаются убирающиеся шасси.

Для предохранения рулевого винта от поломки при случайном касании земли одновинтовые вертолеты имеют хвостовые опоры. Опора обычно делается упругой, чтобы удар о землю не был жестким. Иногда для этой цели устанавливают небольшое хвостовое колесо.

Существуют вертолеты, у которых взлетно-посадочные устройства снабжаются поплавками, изготовленными из прорезиненного искусственного материала. Такие вертолеты могут производить посадку на снег, размокший грунт, воду и т. п. Количество поплавков- два, три и реже четыре. Для посадки на снег, лед, вспаханную почву используется иногда лыжное шасси.

Управление вертолетом осуществляется при помощи системы управления, включающей в себя командные рычаги, на которые воздействует пилот для того, чтобы изменить режим полета и проводку управления. Обычно система управления подразделяется на систему управления несущим винтом, рулевым винтом и двигателем. Так же, как и на самолете, при проектировании системы управления руководствуются принципом - движение командных рычагов управления и вызванное этим изменение положения вертолета в пространстве должны соответствовать инстинктивным движениям человека.

Управление несущим винтом осуществляется при помощи автомата перекоса ручкой управления, расположенной перед сиденьем пилота, и рычагом «шаг-газ», который располагается обычно слева от сиденья пилота (рис. 158).

Управление рулевым винтом (путевое управление) осуществляется при помощи педалей ножного управления. При отклонении педалей меняется шаг рулевого винта и таким образом меняется величина силы тяги.

Многовинтовые вертолеты управляются несколько иначе. Следует отметить, что вертолетам присуща взаимозависимость движения в пространстве вокруг трех осей - продольной, поперечной и вертикальной при отклонении любого из органов управления.

Проводка управления может быть жесткой, мягкой и смешанной. Для уравновешивания на ручке управления усилий, постоянно действующих при установившемся полете, в проводку управления включают пружинные загрузочные механизмы. Поскольку эти механизмы выполняют роль триммеров рулей самолетов, то и на вертолете их часто называют «триммерами». Привод этих механизмов может осуществляться от штурвалов вручную или при помощи кнопок - при электрическом управлении.

В системах управления вертолетами широкое распространение нашли гидроусилители (бустеры), так как только они практически позволяют получить приемлемые усилия на ручках управления и быстроту действия. Бустеры в управлении могут быть обратимыми и необратимыми. Необратимые усилители исключают вибрацию ручки управления, но для создания необходимой величины усилий система управления снабжается специальными загрузочными устройствами (обычно пружинными).

Управление вертолетом на рис. 158 выполнено двойным, для чего в пилотской кабине имеются две ручки управления циклическим шагом 5, две ручки «шаг-газ» 6 и две пары педалей 2. Ручка управления имеет два пружинных загрузочных механизма 3 и 4 с электромеханическим приводом. В систему управления включены гидроусилители. Изменение величины и направления равнодействующей тяги несущего винта в полете приводит к нарушению равновесия вертолета. Для облегчения балансировки на вертолетах одновинтовой схемы на хвостовой балке устанавливаются небольшие стабилизаторы. Управление стабилизатором кинематически связывают с рычагом «шаг-газ». При движении рычага вниз стабилизатор уменьшает установочный угол, создавая кабрирующий момент.

Трансмиссии вертолетов. Для передачи необходимой мощности, направления вращения и необходимых оборотов от двигателя (двигателей) к рабочим механизмам служит трансмиссия вертолета. Схема компоновки трансмиссии зависит прежде всего от схемы вертолета, а также от типа и расположения двигателя.

Основными элементами трансмиссии вертолетов являются редукторы, валы, муфты включения трансмиссий и муфты свободного хода, тормоза несущих винтов.

На рис. 159 показана схема трансмиссии вертолетов одновинтовой схемы с поршневым двигателем. Мощность от двигателя передается на несущий и хвостовые винты и вентилятор охлаждения двигателя.

Главный редуктор понижает число оборотов несущего винта до 200-350 в минуту, без чего невозможно получить большой эффективности несущего винта.

Вследствие большой передаваемой мощности и довольно большой степени редукции 1:10 шестеренчатые редукторы выполняются преимущественно двухступенчатыми или планетарными.

Вращение и изменение числа оборотов рулевого винта достигается с помощью редукторов 4, 5, 7.

Муфта включения необходима для обеспечения работы двигателя при отключенном несущем винте, например, при его запуске и прогреве. Муфта может быть кулачковой, гидравлической, фрикционной или иного типа. Муфты включения преимущественно двухступенчатые: первая ступень фрикционная, вторая - жесткая. Такая конструкция обеспечивает плавное включение и вместе с тем большую передаваемую мощность.

Муфта свободного хода служит для автоматического отключения без вмешательства пилота трансмиссии и несущего винта от двигателя при его отказе. Несущий винт переходит в этом случае на режим авторотации, и вертолет может совершать безопасную посадку. Хвостовой винт, как это видно из рисунка, при отказе двигателя приводится во вращение несущим винтом.

Конструктивно муфта свободного хода может быть выполнена либо в виде роликовой, подобно велосипедной, либо храповой.

Валы, передающие мощность, выполняются в виде стальных труб. Конструкция вертолета в полете испытывает различные деформации. Для того чтобы исключить влияние деформации на работу вала, последние делают из нескольких частей, соединенных универсальными шарнирами (карданами) или гибкими муфтами. Для компенсации температурных влияний, а также отклонений в линейных размерах части вала имеют подвижные шлицевые соединения.

Тормоз несущего винта служит для замедления вращения несущего винта после выключения двигателя и фиксации его на стоянке вертолета. Тормоз обычно применяют фрикционный колодочного типа.

В конструкцию трансмиссии вертолета любой схемы входят те же элементы, что и в трансмиссию одновинтового вертолета. Помимо этого, у вертолетов с двумя двигателями и двумя несущими винтами устанавливается вал для синхронизации вращения несущих винтов. Этот вал служит также для передачи мощности несущим винтам от работающего двигателя в случае выхода из строя второго двигателя.

Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.