книги / Теория вертолета. Кн. 1

кормик [М.20] нашел, что эти выражения очень хорошо описы­ вают поведение вертолета в течение первых нескольких секунд после отказа двигателя.

Подрыв — гораздо более важная часть безмоторной посадки, однако представленный выше анализ полезен и здесь, посколь­ ку он вводит параметр т = 2КЭ/Р как меру характеристик ав­ торотации. Для того чтобы падение оборотов было сравнитель­ но малым, нужна большая величина т, т. е. высокая кинети­ ческая энергия и низкая потребная мощность несущего винта. Потребная мощность определяет момент сопротивления, замед­ ляющий вращение несущего винта после отказа двигателя.

можно оценить, полагая снижение оборотов соответствующим пределу по срыву:

(Q/G0)2 = (Сг/о)/(Сг/а)срыв,

откуда

LI Ст/о Г - ]

Вуд [W.15] получал эмпирические зависимости для некото­ рых параметров авторотации: постоянной времени падения обо­

раметры связаны с общими характеристиками авторотации вер­ толета, определяющими запретные зоны на диаграмме высо­ т а — скорость. Вуд рассмотрел физический смысл этих парамет­ ров и соответствие их характеристикам авторотации.

Безмоторной посадке вертолета и режиму авторотации не­ сущего винта посвящена следующая литература: [Т.56, W.102,

7.6. ВРЕДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЕРТОЛЕТА

Оценка вредного сопротивления вертолета является важным элементом расчета летно-технических характеристик, поскольку она определяет пропульсивную силу и потребную мощность на больших скоростях полета. Сопротивление вертолета обычно выражается через площадь / эквивалентной вредной пластинки:

не учитывать влияние сжимаемости или вязкости. Площадь вредной пластинки может быть определена по коэффициентам лобового сопротивления различных элементов планера верто­ лета:

f = Z c Dis ,

Здесь Si — смачиваемая поверхность или площадь миделевого сечения, по которым определяется CD{. Основную составляю­

щую сопротивления (от 25 до 50%) дает втулка несущего винта. Даже «чистый» вертолет имеет существенно большее сопротив­ ление, чем самолет одинаковой полетной массы, вследствие большого сопротивления втулки и фюзеляжа. Вертолеты пер­ вого поколения имели особенно высокое вредное сопротивление.

Для ориентировочной оценки сопротивления вертолета пло­ щадь вредной пластинки можно связать с площадью диска не­ сущего винта. Для вертолетов старых конструкций f/A « 0,025, для современных серийных -—0,010 ~ 0,015, а для аэродинами­ чески «чистых» ~ 0,004 -т- 0,008. Относительная эквивалентная площадь ^вт/А вредной пластинки для втулки несущего винта составляет ~ 0,0025 Ч- 0,0050 для серийных конструкций и ~ 0,0015 для облагороженных, закрытых обтекателем втулок. Площадь вредной пластинки часто связывают также с полет­ ным весом вертолета, обычно посредством выражения f/W 2/3 —

7.7. ВЫБОР ПРОФИЛЯ ЛОПАСТИ

Профиль лопасти несущего винта вертолета должен обеспе­ чивать аэродинамическую эффективность винта и одновременно удовлетворять конструктивным требованиям к лопасти. Выбор профиля лопасти и в еще большей мере его проектирование специально для лопасти являются трудной задачей ввиду слож­ ности поля скоростей, в котором работает несущий винт. В ко­ нечном счете спроектированный профиль неизбежно является результатом компромисса между различными ограничениями, налагаемыми аэродинамикой винта.

Аэродинамическая эффективность несущего винта на ре­ жиме висения определяется коэффициентом его совершенства.

*) Это соотношение между А я W, являясь приближенным, довольно

точно связывает сопротивление вертолета с полетным весом. Отметим, что степенная зависимость с показателем 2/3 предполагает увеличение нагрузки нв диск с увеличением размеров вертолета, что имеет место в действитель­ ности.

314 Глава 7

на диск коэффициент совершенства зависит в основном от от­ ношения средних по лопасти коэффициентов профильного со­ противления и подъемной силы. Чтобы значения М были ве­ лики, профили должны иметь низкое сопротивление при уме­ ренных и высоких коэффициентах подъемной силы.

Хорошие характеристики срыва важны для любого крыла, в том числе и для лопасти несущего винта. Профиль должен иметь высокий максимальный коэффициент подъемной силы, что позволяет работать при высоком значении Ст/а и, следова­ тельно, иметь небольшие концевую скорость и площадь ло­ пасти. Наиболее жесткое ограничение по срыву налагает обте­ кание отступающей лопасти при полете вперед; высокий коэф­ фициент подъемной силы необходим для получения низких и умеренных чисел Маха. При полете вперед срыв возникает пе­ риодически, по мере вращения лопасти, так что профиль дол­ жен иметь и хорошие характеристики нестационарного срыва (см. гл. 16). Вообще хорошие статические характеристики сры­ ва соответствуют хорошим динамическим характеристикам, так что выбор профиля может быть основан на статических данных, если нет данных по нестационарным режимам.

На больших скоростях полета вперед число Маха на конце наступающей лопасти велико. Следовательно, профиль лопасти должен иметь высокое критическое число Маха, соответствую­

дается системе управления. Во избежание чрезмерных нагру­ зок в последней, особенно при полете вперед, когда возникают большие периодические изменения угла атаки и скоростного на­ пора, профиль лопасти должен иметь небольшой момент отно­ сительно центра давления. При чисто механической системе управления шарнирные моменты лопастей передаются также на оучку управления и на рычаг общего шага.

Рис. 7.3 иллюстрирует основные соображения, возникающие при выборе или проектировании профиля лопасти несущего винта. Профиль лопасти работает в широком диапазоне усло­ вий. Для условий работы на режиме висения, характеризую­ щихся не очень большими углами атаки и числами Маха, тре­ буется низкое сопротивление. При полете вперед профили от­ ступающей лопасти, работающие при низких и средних числах

Маха, должны иметь хорошие характеристики срыва и высокий максимальный коэффициент подъемной силы. Наконец, при по­ лете вперед профили наступающей лопасти, работающие при малых углах атаки, должны иметь высокое критическое число Маха. Критерием выбора профиля для режима висения яв­ ляется большая величина силы тяги несущего винта, тогда как для полета вперед при больших скоростях не должны возни­ кать большие вибрации и нагрузки. Часто для лопастей несу­ щего винта выбирается симметричный профиль умеренной тол­ щины, для упрощения конструкции неизменный по всему ра­ диусу лопасти. Симметричный профиль не создает шарнирного

момента. Относительная толщина профиля (обычно 10—15%) выбирается на основе компромисса: для минимизации эффек­ тов сжимаемости желателен тонкий профиль, а с точки зрения прочности — толстый. Правда, очень толстый профиль необхо­ дим только у комля лопасти, где невысокая аэродинамическая эффективность допустима. Профиль NACA 0012 часто выби­ рался для лопастей несущих винтов в прошлом и может рас­ сматриваться как стандартный. На современных вертолетах используются более сложные профили с улучшенными аэроди­ намическими, прочностными и технологическими характеристи­ ками. Разработаны новые профили с характеристиками, опти­ мизированными применительно к вертолету; общим правилом стало использование более тонких профилей на конце лопасти.

Для пояснения способов выбора и оценки профиля лопасти несущего винта условия работы и характеристики профиля це­ лесообразно представить графически в функции угла атаки и числа Маха. Такими характеристиками гипотетического профиля в функции М на рис. 7.4 являются углы атаки, соответствую­ щие максимальной подъемной силе ( а макс) и резкому возраста­

316 Глава 7

характеристик по азимуту) и точка для режима висения. В кон­ цевых сечениях лопасти имеют место наибольшие числа Маха, а на сечениях радиуса около 75% — наибольшие углы атаки. Таким образом, требования, диктуемые условиями работы сече­ ния, меняются в зависимости от радиуса, на котором оно рас­ положено. Требования для заданных условий работы можно сравнить с характеристиками срыва и сжимаемости для конк­ ретного профиля, как показано на рис. 7.4. Этот график можно использовать и для сравнения различных профилей; более совершенный профиль имеет расширенные пределы по углу атаки во всем рабочем диапазоне чисел Маха.

Густафсон [G.122] исследовал влияние формы профиля на характеристики несущего винта. В качестве меры влияния со­ противления он рассматривал профильные потери мощности,

Рис. 7.4. Требования к про­ филю лопасти для заданных условий работы и ограниче­ ния по срыву и сжимаемо­ сти.

---------- условия работы лопасти;

— - — ограничения.

которые можно считать пропорциональными взвешенному среднему коэффициенту сопротивления cd по диску винта. Профиль­ ную мощность можно также выразить в виде интеграла по углу атаки:

■ ^■ = 5 f(a)cd {a)da.

Поскольку распределение углов атаки для различных профи­ лей практически одно и то же, функция /(а) зависит только от условий работы винта и определяет относительный вклад сопротивления на различных углах атаки в профильную мощ­ ность. Различные профили можно сравнивать по виду зависи­ мости fcd от а. Библиография и обсуждение литературы по характеристикам профилей и их использованию при выборе профиля несущего винта приведены в работе [G.126],

Давенпорт и Фронт [D.18] дали краткий исторический очерк разработки профилей лопасти и применения их в несущих вин­ тах вертолетов. Они определили задачу улучшения профиля как снижение профильной мощности и оттягивание роста нагрузок на систему управления и вибраций на больших скоростях по­ лета. Отсюда следует, что профиль должен иметь низкое, со­

противление на высоких и средних числах Маха, большую не­ сущую способность при М = 0,3 ч- 0,5 и малый момент отно­ сительно центра давления на всех режимах работы. Указанные требования суммируют влияние толщины профиля, радиуса за­ кругления передней кромки и кривизны профиля — характери­ стик, важных для лопастей несущего винта. Наилучшим с этих позиций является тонкий или умеренной толщины (9-^ 12%) профиль с тупой передней кромкой небольшой кривизны. На основе приведенных соображений были сконструированы про­ фили, которые позволили несколько улучшить характеристики несущего винта.

В работе [В.58] исследованы аэродинамические характе­ ристики нескольких сверхзвуковых профилей, спроектированных специально для сложных условий работы лопасти, причем осо­ бое внимание было уделено характеристикам срыва. Детально рассмотрены ограничения, налагаемые на профиль аэродинами­ ческими характеристиками несущего винта, шумом и нагруз­ ками. Было найдено, что граница срывного флаттера (см. гл. 16) хорошо согласуется с величиной с1макс при М = 0,4, на основа­

нии чего был сделан вывод о достаточности рассмотрения ста­ тических характеристик срыва. Показано, что профилей, кото­ рые бы полностью удовлетворяли всем требованиям, нет, но можно сконструировать профили, превосходящие по характе­ ристикам классические профили NACA.

В работе [D.5] проанализированы общие-требования к про­ филю лопасти и определены пути улучшения характеристик профиля. Опыт показывает, что хотя обтекание лопасти трех­ мерно и нестационарно, можно добиться существенного улуч­ шения характеристик несущего винта и снижения нагрузок при рассмотрении только двумерных статических характеристик профиля. Установлено, что в общем случае требованиям по срыву и сжимаемости (высокий максимальный коэффициент подъемной силы при средних числах Маха и высокое Мкр при малых углах атаки) можно удовлетворить только путем комп­ ромисса. Лучше использовать разные профили в середине ло­ пасти (где доминируют эффекты срыва) и на конце (где доми­ нируют эффекты сжимаемости). Были сопоставлены аэродина­ мические характеристики ряда профилей для лопастей несу­ щих винтов, как стандартных, так и недавно разработанных. Последние обнаруживают определенные преимущества, в част­ ности, в отношении максимального коэффициента подъемной силы при М = 0,6 и сопротивления при докритических числах Маха. Желаемые дальнейшие улучшения касаются увеличения Мкр, увеличения максимального коэффициента подъемной силы при низких М и уменьшения шарнирных моментов.

Выбору, расчету и конструированию профилей для лопастей Несущих-винтов посвящена следующая литература: [W.49, R.21,

L.94, G.125, S.190, S.14, P.80, С.121, S.165, W.86, W.118, S.166, P.38, R.41, K.27, W.85, S.12, B.82, B.152, P.7, P.92, D.l, D.2, D.3, N.22, Т.43, М.152]. Более подробно срыв на несущем винте рас­ смотрен в гл. 16.

7.8. ПРОФИЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА

Для расчета характеристик несущего винта необходимо знать коэффициент профильного сопротивления, желательно с учетом его зависимости от угла атаки и числа Маха. Имеются и другие факторы, которые влияют на коэффициент сопротив­ ления лопасти в условиях трехмерного нестационарного обте­ кания при полете вперед. В частности, может оказаться необ­ ходимым учет радиальной скорости, изменения угла атаки во времени и трехмерности обтекания конца лопасти. Плохое ка­ чество поверхности лопасти и производственные отклонения от расчетного профиля также влияют на сопротивление профиля, которое при этом может возрастать на 20—50% по сравнению с расчетным. При расчетах обычно используются табулирован­ ные величины а, Са и ст в функции а и М для конкретного про­ филя с полуэмпирическими поправками, учитывающими дру­ гие существенные факторы. Часто, однако, бывает трудно получить полные и надежные данные по характеристикам про­ филя даже для статических условий. Экспериментальные аэро­ динамические характеристики могут зависеть от небольших из­ менений профиля или параметров испытательной установки, вследствие чего профили, номинально идентичные, показывают различные свойства.

В другом крайнем случае при анализе несущего винта можно использовать средний коэффициент сопротивления, который оценивается с учетом среднего коэффициента подъемной силы по диску винта и чисел М и Re на некотором характерном ра­ диусе (например, 0,75R). Использование среднего коэффициен­ та сопротивления сильно упрощает анализ; в предыдущих гла­ вах средний коэффициент часто применялся с целью получения элементарных выражений для профильных потерь. Для некото­ рых задач, таких, как предварительное проектирование, или в случае отсутствия детальных аэродинамических характеристик профиля подобный анализ приемлем. Средний коэффициент сопротивления нельзя применять, когда существенны местные аэродинамические особенности, например эффекты срыва и сжимаемости при полете вперед. Для несущих винтов, работаю­ щих в предельных условиях, нужны дополнительные уточнения или более детальный анализ.

Часто при аэродинамическом расчете используется зависи­ мость вида Cd = 6о + 6i<x + 6г<х2 (см. разд. 5.24). Это представ­

ление лучше среднего значения, и в то же время оно достаточно простое для того, чтобы не усложнять анализ. Постоянные 6 о, 6 i и 62 зависят от формы профиля.

Хёрнер [Н.106] предложил следующий способ оценки про­ фильного сопротивления. Коэффициент поверхностного трения, характеризующий основную часть сопротивления, определяется по числу Рейнольдса профиля. Если, например, для турбулент­ ного пограничного слоя 10б < Re < 108, то с; = 0,44Re_l/6. При этом минимальный коэффициент сопротивления равен удвоен­

а член 60 (t/c)* — сопротивление давления. Влияние подъемной

4- 0,400a2. На нее так часто ссылаются и она так широко ис­ пользуется в литературе по вертолетам, что этот результат стоит рассмотреть более подробно. Коэффициент профильного

ном сопротивлении (для соответствующего числа Рейнольдса).

нием подъемной силы влияние срыва возрастает, и выражение

320 Глава 7

определить следующим образом:

И соответствующем числе Рейнольдса можно найти формулу для коэффициента сопротивления. Заметим, что при с/ = сг, опт ВСличина Аса равна 0,0003, а не нулю; минимальное же значение

личено на 25% для учета неидеальности профиля, что дало при­ веденную выше зависимость Cd = 0,0087 — 0,0216а + 0,4а2. В ка­ честве другого примера рассмотрим профиль NACA 0012 при

Указанный предел определяется ростом сопротивления вслед­