3. Составляющая полной аэродинамической силы несущего винта для горизонтального полета

Несущий винт создает подъемную силу, равную весу вертолета, и тягу, сообщающую вертолету движение в необходимом направлении.

При сравнении вертолета с самолетом мы видим, что несущий винт на вертолете как бы является одновременно и крылом, и тянущим винтом. Дальше будет показано, что, кроме того, несущий винт выполняет роль основных органов управления самолетом.

За счет чего же вертолет движется вперед?

Необходимая тяга для поступательного горизонтального или наклонного движения вертолета создается наклоном плоскости вращения винта. При этом в соответствующем направлении наклоняется вектор равнодействующей аэродинамических сил R на винте. В горизонтальном полете вертикальная составляющая силы R дает подъемную силу Y, уравновешивающую силу веса G, горизонтальную составляющую — тягу для движения по горизонту Р, уравновешивающую лобовое сопротивление вертолета X_вр.

Рис. 11. Схема сил, действующих на вертолет в горизонтальном полете

Как видно из рис. 11, в горизонтальном полете плоскость вращения винта и фюзеляж вертолета наклонены вперед. Чем больше скорость полета, тем больше опущен нос вертолета (рис. 12).

Рис. 12. Изменение угла наклона вертолета с увеличением скорости полета

Известны следующие способы управления вертолетом:

— непосредственное управление путем отклонений оси несущего винта на кардане;

— управление автоматом перекоса за счет циклического изменения угла установки лопастей;

— управление путем отклонения управляемых поверхностей, расположенных в струе несущего винта (рули и элероны самолетного типа);

— управление посредством реактивных сопел.

Принцип управления в первых двух указанных способах состоит в том, что при отклонении ручки управления наклоняется на небольшой угол относительно фюзеляжа плоскость вращения винта, что влечет за собой изменение наклона фюзеляжа. В последних двух случаях плоскость вращения винта наклоняется одновременно с наклоном фюзеляжа.

В настоящее время у большинства вертолетов разных схем управление несущим винтом осуществляется автоматом перекоса, изобретенным русским ученым, академиком Борисом Николаевичем Юрьевым.

5. АВТОМАТ ПЕРЕКОСА Так как кольцо 1 вертикальными поводками связано с лопастями, то наклон плоскости вращения этого кольца вызывает циклический (т. е. повторяющийся в каждом обороте винта) поворот лопастей относительно их продольных осей, или, другими словами, каждая лопасть циклически изменяет свой шаг. Чтобы уяснить, что следует за изменением шага лопастей, разберем отдельно два вида полета вертолета — вертикальный и горизонтальный. Рис. 16. Схема автомата перекоса: 1 — вращающееся кольцо; 2 — невращающееся кольцо; 3 — обойма; 4 и 5— поводки; 6 — скользящее кольцо; 7—ручка управления вертолетом; 8 — рычаг управления шагом с корректором газов На самом деле эти два вида полета могут совмещаться один с другим в любом сочетании и образовывать наклонный полет по траектории под любым углом к горизонту, но их целесообразно разграничить, так как каждый из них требует раздельного управления и различных действий летчика. Вертикальный полет достигается изменением общего шага лопастей, или, другими словами, изменением угла атаки всех лопастей одновременно. При этом угол атаки всех лопастей одновременно возрастает или уменьшается на одинаковую величину, что соответствует увеличению или уменьшению подъемной силы, а следовательно, соответствует подъему или снижению вертолета вертикально. Управление общим шагом сосредоточено в рычаге общего шага 8, расположенном в кабине, с левой стороны сиденья летчика. Из рис. 16 следует, что если рычаг общего шага тянуть вверх, то, поднимая тем самым вверх оба кольца — невращающееся и вращающееся, мы увеличиваем шаг лопастей, в результате чего вертолет будет подниматься. Если рычаг опускать вниз, то вертолет будет вертикально снижаться. Рис. 17. Циклическое изменение шага лопастей при отклонении автомата перекоса Какое-либо положение лопасти в поверхности, ометаемой несущим винтом при его вращении принято называть азимутальным положением лопасти (от слова азимут). За нулевое азимутальное положение принимают крайнее заднее положение лопасти, что для одновинтового вертолета будет соответствовать положению лопасти над хвостовой балкой. Азимутальный угол обозначается буквой φ. Горизонтальный полет вертолета достигается, как было уже сказано выше, наклоном плоскости вращения несущего винта, т. е. за счет горизонтальной составляющей вектора полной аэродинамической силы несущего винта. Наклон плоскости вращения достигается циклическим изменением шага лопастей. Это означает, что шаг каждой лопасти несущего винта в течение цикла (одного оборота) будет сначала возрастать до какой-то величины, а затем убывать до какого-то минимального значения; в начале следующего оборота — снова возрастать, потом убывать и т. д. Схема циклического изменения шага лопасти в различных азимутальных ее положениях показана на рис. 17.

Рассмотрим моменты сил относительно горизонтального шарнира, считая для упрощения, что все они приложены к центру тяжести лопасти.

Сила веса G_л стремится повернуть лопасть относительно горизонтального шарнира вниз, подъемная сила лопасти, как видно из схемы сил (рис. 18), стремится повернуть лопасть вверх относительно той же точки. Поскольку величина подъемной силы примерно в 10 раз больше веса лопасти, то эффект от момента подъемной силы будет более значительным, чем эффект от веса лопасти. Однако центробежная сила, которая больше подъемной силы, всевремя препятствует отклонению лопасти от плоскости вращения втулки несущего винта, ограничивая подъем лопасти.

Суммарное влияние сил, действующих на лопасти, приводит к тому, что вращение лопастей несущего винта происходит не в плоскости вращения его втулки, а по поверхности конуса; угол конусности этой поверхности определяется условием равновесия моментов от сил, действующих на лопасти относительно горизонтального шарнира.

В результате циклического изменения шага лопасть при вращении начнет совершать маховые движения. При этом след общего движения какого-либо ее сечения (вращательного и махового) будет лежать в новой плоскости, наклоненной относительно прежней плоскости вращения на некоторый угол.

Автомат перекоса обеспечивает наклон плоскости вращения в том направлении, в котором отклонена ручка управления.

6. УПРАВЛЕНИЕ ВЕРТОЛЕТОМ В отличие от самолета вертолет обычно не имеет специальных рулевых подвижных поверхностей для управления в полете. Если бы они и были, то при полете на малых скоростях или на режиме висения их действие было бы малоэффективно, потому что на рулях или элеронах необходимые аэродинамические силы создаются только при наличии значительной скорости обтекающего их воздушного потока. Управление вертолетом осуществляется при одновинтовой схеме несущим и рулевым винтами, а при двух или многовинтовой схеме — несущими винтами. Таким образом, несущий винт выполняет работу не только несущей поверхности и тянущего винта, но. и работу самолетных рулей и элеронов, т. е. различных органов управления. Рассмотрим управление вертолетами различных схем расположения несущих винтов.

Органы управления вертолетом в кабине летчика

Основными органами управления вертолетом в кабине летчика являются: ручка управления, педали ножного управления, рычаг управления общим шагом и корректор газа, штурвалы триммеров управления вертолетом (рис. 26).

Рис. 26. Размещение органов управления в кабине вертолета:

1 — ручка управления; 2 — рычаг общего шага "шаг-газ"; 3 — рукоятка корректора газа; 4 — педали ножного управления; 5—штурвалы триммеров управления вертолетом; 6 — рычаг муфты включения; 7—рычаг тормоза несущего винта

Ручка управления расположена перед сиденьем летчика и связана с автоматом перекоса. Отклонения ручки от нейтрального положения будут означать: вперед — наклон вертолета на нос и движение его вперед, назад — наклон вертолета на хвост и движение его назад, влево — наклон вертолета влево и движение его влево, вправо — наклон вертолета вправо и движение его вправо.

Педали ножного управления расположены так же, как и на самолете, т. е. впереди сиденья. Воздействуя на педали, летчик управляет шагом рулевого винта, осуществляя тем самым путевое управление вертолетом.

Рычаг управления общим шагом расположен обычно влево от сиденья летчика. С помощью его летчик одновременно управляет изменением шага (установочного угла) всех лопастей несущего винта.

Движение рычага вверх соответствует увеличению шага — подъему вертолета. Движение рычага вниз соответствует уменьшению шага — снижению вертолета. Изменение положения рычага общего шага немедленно вызывает изменение числа оборотов двигателя, так как при этом происходит изменение потребной мощности.

На большинстве современных вертолетов устанавливается объединенное управление общим шагом несущего винта и дросселем двигателя (система “шаг-газ”), которая значительно облегчает управление вертолетом. Сущность объединенного управления заключается в том, что с изменением общего шага одновременно (автоматически) изменяется открытие дросселя двигателя. Иными словами, соответственно с изменением мощности, потребляемой винтом, изменяется и мощность двигателя .

Для более тонкой регулировки мощности двигателя объединенная система “шаг-газ” имеет управление газом в небольшом диапазоне оборотов при неизменном значении общего шага (корректор газа).

Управление триммерами. Нагрузки на ручку управления вертолетом в полете отличаются от нагрузок от рулей на самолете. Несущий винт вертолета передает на ручку управления периодически изменяющуюся нагрузку небольшой величины, которая несколько изменяется с изменением режима полета.

Для того чтобы создать закономерность изменений усилий на ручке при изменении режима полета, в систему управления автоматом перекоса введены продольные и поперечные пружины. С изменением режима полета изменяется положение ручки управления, так как изменяется балансировка вертолета (изменяются силы сопротивления и моменты от этих сил). Пружины, соединенные с ручкой управления, при изменении положения ручки изменяют и усилия на ручке, создавая закономерность изменения их по скорости полета, что весьма важно для летчика.

Для снятия нагрузки с ручки управления от пружин при изменении режима полета, предусмотрена регулировка их натяжения. Эта регулировка играет роль триммеров на самолете, в силу чего механизм ее принято на вертолете называть “триммерами”. Управление натяжением пружин производится штурвалами триммеров или кнопками — при электрическом управлении.

7. МАХОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ ЛОПАСТИ ПРИ ПОСТУПАТЕЛЬНОМ ПОЛЕТЕ Как видно из рис. 28, поле скоростей на режиме висения для любого положения лопасти симметрично. При горизонтальном полете поле скоростей лопасти, идущей вперед (по направлению полета), и лопасти, идущей назад (против полета), не симметрично. Это происходит потому, что в левой части диаграммы (ψ =90°) окружная скорость вращения сечения лопасти складывается со скоростью полета вертолета (ωr + V); в правой же части диаграммы (ψ = 270°) скорость полета вычитается из окружной скорости (ωr — V). В любом другом (промежуточном) азимутальном положении окружная скорость будет алгебраически (т. е. с учетом знака) складываться не с полной величиной скорости полета, а с ее проекцией на направление окружной скорости.

В азимутах ψ = 0° и ψ= 180° обтекание сечений лопасти будет происходить только за счет окружной скорости ωr. Поле скоростей для этих азимутальных положений симметрично, и встречный поток воздуха за счет движения всего вертолета будет направлен вдоль лопасти и рассмотрение его влияния с точки зрения ее аэродинамики интереса не представляет.

Если в левой половине (рис. 29, внизу) и в правой половине поверхности, ометаемой несущим винтом при вращении (рис. 29, вверху), скорости обтекания в равноудаленных от центра вращения сечениях неодинаковы, то и подъемные силы, создаваемые в этих сечениях, тоже должны быть неодинаковы. В соответствии с этим в азимутах от 0° до 180° подъемная сила должна быть больше, чем в азимутах от 180° до 360°. Следовательно, при жестком креплении лопастей к втулке несущего винта вертолет должен был бы опрокинуться направо, но наличие горизонтальных шарниров в подвеске лопастей обеспечивает ему равновесие в поступательном полете.

За счет маховых движений лопасти вокруг горизонтального шарнира происходит перераспределение величин подъемных сил.

В азимутальном положении ψ = 270° скорость обтекания сечений лопасти будет минимальной, а скорость опускания здесь будет максимальной. В этом положении угол атаки в сечениях лопасти будет наибольшим. Несмотря на то, что далее скорость обтекания увеличивается, лопасть еще будет продолжать опускаться. Таким образом, за один оборот она поднимется и опустится, т. е. взмахнет.

Угол атаки в сечениях лопасти за один оборот будет менять свою величину, как показано на рис. 30, достигая максимального значения в азимуте ψ = 270° и минимального значения в азимуте ψ = 90°.