Самолет и вертолет, их устройство и оборудование. Система механического управления вертолета Основные элементы вертолета и их назначение

Для того чтобы вертолет обладал высокими летно-техническими характеристиками и был эффективным транспортным средством, удобным в эксплуатации, он должен отвечать ряду требований. Эти требования можно разделить на общие для всех летательных аппаратов (ЛА) и специальные, зависящие от целевого назначения и особенностей боевого применения.

К общим требованиям относятся:

• - получение назначенных летно-технических данных, достаточных характеристик устойчивости и управляемости при наименьших энергетических затратах;
• - достаточная (но не избыточная) прочность и жесткость конструкции, обеспечивающие восприятие эксплуатационных нагрузок без остаточных деформаций и отсутствие опасных колебаний;
• - высокая боевая живучесть, т. е. способность ЛА продолжать выполнение задания после воздействия на него поражающих средств противника;
• - надежность конструкции, которая зависит от ее совершенства, качества изготовления, условий эксплуатации;
• - технологичность конструкции, т. е. возможность широкой механизации и автоматизации производственных процессов, использования высокопроизводительных процессов (штамповки, прокатки, сварки и т. п.), высокая степень стандартизации деталей и узлов;
• - минимальная масса конструкции, что обеспечивается рациональным выбором материалов, силовых схем, а также уточнением действующих нагрузок;
• - удобство эксплуатации, обеспечиваемое достаточным количеством эксплуатационных разъемов, люков для осмотра и выполнения работ на технике, минимальным числом узлов и систем, требующих регулировки, применением эффективных средств контроля;
• - ремонтопригодность, т. е. возможность быстрого и дешевого восстановления поврежденных частей, что обеспечивается взаимозаменяемостью основных частей и элементов, широким использованием модульных конструкций;
• - безопасность полета, обеспечиваемая надежностью техники, хорошими аэродинамическими характеристиками, применением специальной автоматики, облегчающей пилотирование, сигнализацией о приближении к опасным режимам полета.

Многие из этих требований противоречивы. В ходе проектирования вертолетов происходит преодоление этих противоречий путем принятия компромиссных решений или разработки принципиально новых конструкций.

В связи с усложнением авиационной техники и повышением требований к уровню безопасности полетов существенно возросла важность эргономических требований к JTA. Эргономические требования сводятся к приспособленности ЛА, его кабины, командных рычагов управления, приборного и другого оборудования к физиологическим и психологическим возможностям человека для наиболее эффективного использования возможностей как ЛА, так и летчика. В этом отношении весьма важно правильное распределение функций между автоматикой JIA и летчиком.

Эргономические требования включают гигиенические, антропометрические, физиологические и психофизиологические требования к Л А. Гигиенические требования сводятся к соблюдению норм микроклимата и ограничению воздействия вредных факторов внешней среды на человека (шума, вибраций, температуры и т. д.). Антропометрические требования определяют размеры кабины, командных рычагов управления, их расположение в соответствии с ростом человека, длиной его конечностей и т. д. Физиологические требования задают величины управляющих усилий в соответствии с возможностями человеческого организма. Психофизиологические требования характеризуют приспособленность ЛА, приборного оборудования к особенностям органов чувств человека.

Кроме перечисленных выше общих требований к вертолетам предъявляются специальные требования, отражающие специфику их конструкции, режимов полета, способов создания подъемной силы, управления и так далее.

К специальным требованиям относятся:

• - обеспечение вертикального взлета и посадки, висения на заданной высоте;
• - обеспечение безопасной посадки на режиме самовращения несущего винта (НВ) при отказе силовой установки;
• - допустимый уровень вибраций.

При разработке военного вертолета к нему предъявляются специальные требования, определяемые его назначением и условиями боевого применения, так называемые тактико-технические требования (ТТТ). Они задают летно-технические характеристики, необходимые для эффективного выполнения поставленных боевых задач: максимальную скорость, дальность полета, потолок, полезную нагрузку, состав экипажа, необходимое оборудование и вооружение. ТТТ разрабатываются с учетом современного уровня развития науки- и- техники и ближайших перспектив их развития.

Классификация вертолетов по конструктивным признакам

Вертолетом называют ЛА, у которого подъемная сила и тяга для поступательного полета создаются лопастями одного или нескольких вращающихся НВ. В отличие от крыла самолета лопа- ети НВ обтекаются набегающим потоком не только при поступательном полете, но и при работе на месте. Это обеспечивает вертолету возможность висеть неподвижно, взлетать и садиться вертикально.

В ходе зарождения и развития вертолетов было опробовано большое число различных схем, от простейших до сложных комбинированных ЛА. В результате были отброшены неудачные и выявились жизнеспособные схемы вертолетов, используемые в настоящее время.

Основным критерием различия этих схем принято считать количество и расположение несущих винтов. По числу НВ вертолеты могут быть одновинтовыми, двухвинтовыми и многовинтовыми. Современные вертолеты строятся только по одновинтовой и двухвинтовой схемам.

Одновинтовая схема отличается сравнительно малой массой, наибольшей простотой конструкции и системы управления. Однако для уравновешивания реактивного момента НВ такого вертолета необходим рулевой винт, потребляющий до 10% мощности силовой установки. Он устанавливается на длинной балке, увеличивающей габариты и массу вертолета, создает опасность для обслуживающего персонала.

Недостатком одновинтового вертолета является также узкий диапазон допустимых центровок, поскольку его балансировка возможна при условии, что центр масс расположен вблизи оси вала НВ.

НВ двухвинтовых вертолетов вращаются в противоположных направлениях, поэтому их реактивные моменты уравновешивают друг друга без дополнительных затрат мощности.

Вертолеты продольной схемы наиболее распространены среди двухвинтовых вертолетов благодаря ряду преимуществ:

• - большой удобный фюзеляж;
• - сравнительно широкий диапазон допустимых центровок благодаря возможности перераспределения тяги между НВ;
• - хорошая продольная устойчивость и управляемость.

Продольная схема, однако, имеет ряд серьезных недостатков:

• - сложная и длинная трансмиссия для передачи мощности к винтам и синхронизации их вращения в целях исключения столкновения лопастей;
• - повышенный уровень вибраций;
• - сложная система управления;
• - отрицательное влияние переднего НВ на работу заднего, приводящее к значительным потерям мощности и усложнению конструкции редукторов и техники посадки на режиме самовращения НВ; для снижения вредного влияния задний НВ располагается выше переднего.

Двухвинтовые вертолеты поперечной схемы имеют ряд положительных качеств:

• - удобный обтекаемый фюзеляж самолетного типа;
• - удобство погрузки и выгрузки кабины;
• - благоприятное взаимное влияние несущих винтов.

Серьезным недостатком поперечной схемы является необходимость специальной конструкции для размещения винтов, которая имеет большие лобовое сопротивление и массу. Для снижения лобового сопротивления эта конструкция может быть выполнена в виде крыла.

К недостаткам поперечной схемы следует также отнести узкий диапазон центровок и необходимость длинной трансмиссии для синхронизации НВ, трудности обеспечения устойчивости и управляемости.

Двухвинтовые вертолеты соосной схемы обладают наименьшими габаритами. НВ вертолета соосной схемы расположены один над другим и не требуют синхронизации вращения, что значительно упрощает и облегчает трансмиссию. Аэродинамическая симметрия схемы упрощает пилотирование и прицеливание.

Однако соосной схеме присущи определенные недостатки:

• - сложная система управления;
• - недостаточная путевая устойчивость;
• - значительные вибрации;
• - опасность столкновения лопастей НВ, вращающихся в противоположных направлениях;
• - сложность посадки на режиме самовращения НВ.

Советским конструкторам удалось справиться с трудностями доводки опытных вертолетов такой схемы, и они выпускаются серийно.

У двухвинтового вертолета с перекрещивающимися винтами оси НВ расположены по бокам фюзеляжа и наклонены наружу. Ввиду потерь мощности, связанных с наклоном НВ, и очень сложной системой управления такая схема не получила широкого распространения.

Скорость полета вертолетов любых схем ограничена условиями обтекания НВ. При увеличении скорости полета концевые участки лопастей испытывают влияние сжимаемости воздуха и попадают в режим срыва потока, что приводит к сильным вибрациям и резкому увеличению потребляемой мощности. Поэтому максимальная скорость горизонтального полета обычных вертолетов не превышает 320-340 км/ч.

Для дальнейшего увеличения скорости полета необходимо разгрузить НВ. С этой целью на вертолет устанавливается крыло.

Дополнительная тяга в направлении полета вертолета может создаваться воздушным винтом (тянущим или толкающим) или турбореактивным двигателем. Скорость таких комбинированных ЛА может достигать 500 км/ч и выше. Несмотря на сложность конструкции, вертолеты комбинированной схемы являются перспективными.

В настоящее время наибольшее распространение у нас в стране и во всем мире получили вертолеты, выполненные по одновинтовой схеме с рулевым винтом.

Основные части вертолета, их назначение и компоновка

В процессе развития вертолетостроения сложился вполне определенный облик современного вертолета.

Основной частью вертолета является фюзеляж, предназначенный для размещения грузов, экипажа, оборудования, топлива и т. п. Кроме того, он является силовой базой, к которой крепятся все остальные части вертолета и передаются нагрузки от них. Фюзеляж представляет собой тонкостенную подкрепленную конструкцию. Центральная часть фюзеляжа обычно является грузовой кабиной, носовая - кабиной экипажа.

Хвостовая 8 и концевая 6 балки являются продолжением фюзеляжа и предназначены для размещения рулевого винта и оперения вертолета.

На потолочной панели центральной части фюзеляжа устанавливаются двигатели 1 (обычно два газотурбинных двигателя), выходные валы которых соединяются с главным редуктором.

Главный редуктор распределяет мощность, поступающую от двигателей, между агрегатами вертолета. Основным потребителем мощности двигателей является НВ, установленный на валу главного редуктора. Он предназначен для создания силы тяги, необходимой для полета вертолета, а также для продольного и поперечного управления.

Основными частями НВ являются: втулка 2 и прикрепленные к ней лопасти 3, непосредственно создающие подъемную силу.

При вращении НВ на вертолет действует реактивный момент, стремящийся развернуть его в противоположном направлении. Для уравновешивания этого момента служит рулевой винт 5. Его привод осуществляется от главного редуктора через систему валов и редукторов. Кроме того, рулевой винт используется для путевого управления вертолетом.

Шасси обеспечивает обирание вертолета при стоянке и передвижении по поверхности земли, а также снижение нагрузок при посадке.

Наибольшее распространение получила трех-опорная схема шасси с носовым колесом: основные опоры 9 располагаются позади центра масс вертолета, передняя 12-под носовой частью фюзеляжа. На скоростных вертолетах шасси может убираться в полете.

Оперение предназначено для повышения устойчивости вертолета. Оно состоит из стабилизатора 7 и киля, роль которого играет обычно специально спрофилированная концевая балка.

Компоновка двухвинтового вертолета соосной схемы отличается компактностью ввиду меньшего диаметра винтов и отсутствия рулевого винта с хвостовой и концевой балками. Однако соосное расположение НВ увеличивает высоту вертолета, а недостаточная путевая устойчивость требует установки достаточно мощного вертикального оперения.

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.

Для того чтобы самолет или планер летал, нужна подъемная сила, а эта сила создается крылом. Поэтому главным в самолете является крыло, ибо в конечном счете Весь самолет может быть сведен в летающее крыло, без фюзеляжа, без оперения.

У вертолета роль крыла играет несущий винт. Даже если в летательном аппарате ничего больше нет, кроме несущего винта, мы можем принципиально назвать его «вертолетом».

Наверное, многие в детстве делали себе такой «вертолет», состоящий только ив одного винта, вырезанного из куска жести. Стартовым устройством для него служила обыкновенная катушка от ниток, вращающаяся на стержне.

Однако роль несущего винта вертолета гораздо более многогранна, чем роль крыла самолета.

Созданием подъемной силы еще не ограничивается назначение несущего винта.

Когда вы посмотрите на вертолет в горизонтальном полете, вы неизбежно обратите внимание на то, что фюзеляж носом наклонен к горизонту. При этом наклоненным вперед оказывается и несущий винт.

Полная аэродинамическая сила R, развиваемая несущим винтом и направленная перпендикулярно к плоскости вращения концов лопастей, в этом случае может быть разложена на две составляющие: направленную вертикально подъемную силу, которая поддерживает вертолет на заданной высоте, и силу, направленную по касательной к траектории полета, Р, которая на вертолете является силой тяги. За счет этой силы вертолет летит вперед. Таким образом, несущий винт в поступательном полете одновременно является и тянущим винтом.

Однако и этим не ограничивается роль несущего винта. У вертолета в отличие от самолета нет рулевых поверхностей, таких, как элероны, триммеры, рули направления и высоты. Да они и не имели бы смысла, так как во время полета не обдувались бы потоком воздуха и в силу этого не могли бы служить целям управления.

Ведь мы знаем, что для изменения положения тела, к нему нужно приложить внешнюю силу. В полете вертолет окружен воздухом, поэтому внешняя сила может быть только результатом взаимодействия каких-либо частей вертолета с воздушной средой. Для того чтобы возникла сила сопротивления воздуха, тело должно перемещаться с большей скоростью. Когда вертолет висит в воздухе, то этому условию не отвечает ни одна его часть, кроме винта. Поэтому роль органа управления вертолетом также возложена на несущий винт. Действуя ручкой управления, летчик с помощью особых устройств, о которых будет рассказано в следующих главах, добивается такого положения, которое равносильно изменению плоскости вращения несущего винта. При этом изменяет свое направление и полная аэродинамическая сила воздушного винта и обе ее составляющие. И если подъемная сила всегда направлена вертикально вверх, то вторая составляющая - по касательной к траектории полета.

В зависимости от угла наклона полной аэродинамической силы меняется не только направление, но и величины ее составляющих. Следовательно, управляя несущим винтом, летчик может изменять не только направление полета, но и скорость полета.

Для подъема или спуска вертолета летчик также воздействует на лопасти несущего винта, уменьшая или увеличивая одновременно и на одинаковую величину угол установки всех лопастей.

Если на вертолете отказывает двигатель, то, уменьшая углы атаки лопастей, летчик ставит несущий винт в положение самовращения (авторотации). Поддерживаемый подъемной силой, создаваемой винтом на этом режиме работы, вертолет совершает безопасный планирующий спуск.

Из сказанного выше ясно, что для понимания устройства и полета вертолета надо разобраться прежде всего в работе несущего винта; для того чтобы вертолет успешно мог летать, конструктор должен обеспечить надежность прежде всего несущего винта.

Летчики, инженеры, техники и механики, летающие на вертолетах и обслуживающие их, прежде всего должны следить за безукоризненным состоянием несущего винта.

Итак, несущий винт - вот что главное в вертолете

Режимов работы несущего винта вертолета чрезвычайно много. Каждому режиму полета вертолета соответствует свой режим работы несущего винта. Основными для вертолета являются: пропеллерный режим, режим косой обдувки, режим самовращения (авгоротация) и режим вихревого -сольца.

Пропеллерный режим возникает при вертикальном подъеме или висении вертолета.

Режим косой обдувки возникает при поступательном полете вертолета.

Режим самовращения возникает при отключении двигателя вертолета от несущего винта в полете, при этом винт вращается под действием потока воздуха.

Режим вихревого кольца возникает при снижении вертолета. При таком режиме поток воздуха, проходя сквозь ометаемую винтом поверхность сверху вниз, вновь подходит к винту сверху.

Однако в некоторых частных случаях, например, в пропеллерном режиме, его работа схожа с работой самолетного винта. Когда самолет находится на земле или летит горизонтально, его винт обдувается со стороны плоскости вращения (по оси). Когда вертолет находится на земле, висит в воздухе или поднимается вертикально вверх, его несущий винт также обдувается со стороны плоскости вращения (по оси). Различие при этом состоит только В ТОМ, что у самолета струи воздуха проходят через плоскость вращения винта в горизонтальном направлении, спереди назад, тогда как у вертолета - в вертикальном направлении, сверху вниз. При этом несущий винт захватывает воздух из зоны А сверху и отбрасывает его, закручивая, вниз, в зону. На место частиц воздуха, забранных из зоны А, поступают частицы воздуха из окружающей среды и частично из зоны Б, но уже вне плоскости вращения винта.

До того, как несущий винт был приведен во вращение, воздух над винтом н под ним находился в состоянии покоя С началом вращения винта приборы, внесенные с область действия винта, но находящуюся вдали от него, покажут наблюдателю, что в сечении 0-0 воздух по-прежнему находится в состоянии относительного покоя. Его давление равно атмосферному, а скорость. Расстояние от сечения 0-0, где еще не наблюдается влияния винта, до плоскости вращения винта есть величина переменная, которая зависит от вязкости среды и точности применяемых нами приборов. Чем точнее прибор, тем он дальше от винта зарегистрирует наличие скорости воздуха, частички которого будут устремлены к винту.

Если бы воздух был лишен сил вязкости, то действие винта сказалось бы бесконечно далеко.

Фактически ввиду того, что воздух представляет собой вязкую среду, влияние винта перестает ощущаться уже на расстоянии десятков метров.

Перенося наши приборы из сечения 0-0 все ближе к сечению, мы заметим постепенный прирост скорости воздуха, подсасываемого винтом. Та скорость, которую воздух имеет, подходя к сечению, называется индуктивной скоростью подсасывания. На основании закона сохранения энергии кинетическая энергия (энергия скорости движения) не может увеличиться без того, чтобы не уменьшался другой какой-либо вид энергии. И действительно, наряду с ростом скорости воздуха до ш, мы замечаем, что давление воздуха р0 при этом падает. Это значит, что увеличение скорости воздуха произошло за счет уменьшения давления. За винтом сечение потока сжимается и происходит еще большее увеличение скорости воздуха. Казалось бы, должно было последовать дальнейшее падение давления. Однако сразу за винтом давление растет до р-2. Не противоречит ли это закону сохранения энергии? Да, противоречит, если мы не примем во внимание того обстоятельства, что воздух извне (от винта) получил добавочную энергию (механическую). Механическая энергия винта, преобразуюсь в кинетическую и потенциальную энергию потока, увеличивает и скорость и давление воздуха одновременно.

В сечении сразу за винтом прибор нам показывает, что воздух по сравнению с сечением имеет скорость и», называемую скоростью отбрасывания. Причем скорость отбрасывания оказывается вдвое больше скорости подсасывания.

Далеко за винтом, в сечении (теоретически на бесконечном удалении), скорость и давление воздуха восстанавливаются до первоначальных значений. Энергия потока при этом из-за наличия сил вязкости рассеивается в пространстве.

Таково действие винта на воздух, которое является следствием приложения к винту энергии вращения. Этому действию соответствует ответное действие воздуха на винт, которое проявляется в виде силы тяги, являющейся проекцией полной аэродинамической силы R на ось, проходящую через втулку винта перпендикулярно плоскости его вращения. Если динамометр, соединенный с винтом, при остановленном винте показывал нулевое значение тяги, то по мере роста оборотов тяга будет все больше и больше возрастать. На режиме висения и вертикального подъема на всех других режимах полета

Величину тяги, создаваемой винтом, можно не только замерить, но и подсчитать.

Вертолеты летают, потому что у них крутятся длинные лопасти несущего винта, чьи поперечные сечения по форме похожи на сечение самолетных крыльев. Подъемная сила вертолетных лопастей может меняться, если изменять угол наклона всех лопастей одновременно.

А различные повороты машины выполняются при помощи изменения наклона отдельно каждой лопасти при ее вращении. Если надо лететь вперед или назад, поворачивать налево или направо, вращающийся несущий винт поворачивают в направлении желаемого маневра.

В хвостовой части вертолета установлен еще один, небольшой вспомогательный несущий винт. Он нужен для того, чтобы, вращаясь, уравновешивать такое действие главного винта, которое могло бы привести к закручиванию всего вертолета вокруг его вертикальной оси. Другими словами, вспомогательный винт позволяет машине стабильно держаться в воздухе. Кроме всего прочего, вертолеты могут неподвижно зависать в воздухе. Для<» этого требуется, чтобы вес машины оказался равен подъемной силе, создаваемой несущим винтом.

Главный несущий винт

В поперечном сечении лопасть главного несущего винта похожа на крыло самолета. Воздушный поток, обтекая верхнюю и нижнюю поверхность лопасти, создает над ней пониженное давление и рождает подъемную силу.

Вспомогательный несущий винт

Сила, возникающая при вращении главного винта, стала бы раскручивать весь вертолет, если бы не было стабилизирующего эффекта от работы вспомогательного винта, расположенного на хвосте.

Втулка главного несущего винта

Чтобы вертолет был стабилен в полете, пилот устанавливает нужный угол лопастей главного винта. Для этого служит устройство, известное как кольцо автомата перекоса. Оно укреплено на валу несущего винта. Вертолет может лететь, кружить или неподвижно парить в воздухе в соответствии с тем, как пилот установит это кольцо. Ниже на рисунке показаны перемещения кольца вверх и вниз, которые приводят к изменению наклона лопасти винта. Кроме того, кольцо автомата перекоса можно наклонять, чтобы изменить угол наклона винтового диска.

Пилотирование вертолета

1. Чтобы лететь вперед, пилот толкает рычаг управления от себя. При этом винтовой диск наклоняется к носу.

2. Чтобы набирать высоту, пилот увеличивает общий тангаж всех лопастей, пока подъемная сила не превзойдет силу тяжести.

3. Чтобы висеть неподвижно, пилот удерживает такой угол наклона винта, чтобы подъемная сила и сила тяжести были равны.

4. Чтобы дать задний ход, пилот наклоняет винтовой диск по направлению к хвосту.

5. Чтобы повернуть, пилот поворачивает винтовой диск влево или вправо.

6. Чтобы изменить курс, пилот устанавливает нижний угол наклона лопастей вспомогательного винта.

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

© Дудник В.В., 2005 г. © Издательский дом ИУИ АП, 2005 г.

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.