Хвостовой винт

Хвостовой винт — это меньший ротор, установленный вертикально или почти вертикально в хвосте традиционного однороторного вертолета , где он вращается, создавая подобную пропеллеру горизонтальную тягу в том же направлении, что и вращение основного винта . Положение и расстояние хвостового винта от центра масс вертолета позволяют ему развивать достаточный рычаг тяги , чтобы противостоять реактивному крутящему моменту, оказываемому на фюзеляж вращением основного винта . Без хвостового винта или других механизмов противодействия крутящему моменту (например, NOTAR ) вертолет постоянно вращался бы в противоположном направлении от основного винта во время полета.

Хвостовые винты проще основных винтов, поскольку для изменения тяги им требуется только коллективное изменение шага. Шаг лопастей хвостового винта регулируется пилотом с помощью педалей противодействия крутящему моменту, которые также обеспечивают управление направлением, позволяя пилоту вращать вертолет вокруг его вертикальной оси. Его приводная система состоит из вала, приводимого в действие от главной трансмиссии , и редуктора , установленного на конце хвостовой балки . Приводной вал может состоять из одного длинного вала или ряда более коротких валов, соединенных на обоих концах гибкими муфтами , которые позволяют приводному валу изгибаться вместе с хвостовой балкой. Редуктор на конце хвостовой балки обеспечивает угловой привод для хвостового винта и может также включать передачу для регулировки выходной мощности до оптимальной скорости вращения для хвостового винта, измеряемой в оборотах в минуту (RPM). На более крупных вертолетах с хвостовым пилоном промежуточные редукторы используются для перехода приводного вала хвостового винта от хвостовой балки к верхней части пилона. Пилон хвостового винта может также служить в качестве вертикального стабилизирующего аэродинамического профиля , чтобы облегчить потребность в мощности для хвостового винта в прямом полете. Пилон хвостового винта может также служить для обеспечения ограниченного противовращающего момента в определенных диапазонах скоростей полета , в случае отказа хвостового винта или его органов управления полетом . Около 10% мощности двигателя идет на хвостовой винт. ^[1]

Дизайн

Система хвостового винта вращает аэродинамические профили, небольшие крылья, называемые лопастями , которые изменяют шаг, чтобы изменять величину тяги, которую они производят. Лопасти чаще всего используют конструкцию из композитного материала , например, сердечник из алюминиевых сот или пластифицированных бумажных сот, покрытых оболочкой из алюминиевого или углеродного композитного волокна . Лопасти хвостового винта могут быть изготовлены как с симметричной, так и с асимметричной конструкцией аэродинамического профиля . Механизм изменения шага использует систему управления кабелем или трубки управления, которые идут от педалей противодействия крутящему моменту в кабине к механизму, установленному на редукторе хвостового винта. В более крупных вертолетах механизм изменения шага дополняется сервоприводом гидравлического управления мощностью. В случае отказа гидравлической системы механическая система по-прежнему способна контролировать шаг хвостового винта, хотя сопротивление управлению, ощущаемое пилотом, будет значительно больше.

Хвостовой винт питается от основной силовой установки вертолета и вращается со скоростью, пропорциональной скорости основного винта. Как в поршневых, так и в турбинных вертолетах основной винт и хвостовой винт механически соединены через систему свободного хода , которая позволяет роторам продолжать вращаться в случае отказа двигателя путем механического отсоединения двигателя от основного и хвостового винтов. Во время авторотации импульс основного винта продолжает приводить в действие хвостовой винт и обеспечивать путевое управление. Для оптимизации его функции для полета вперед лопасти хвостового винта не имеют закручивания, что снижает сопротивление профиля, поскольку хвостовой винт установлен так, что его ось вращения перпендикулярна направлению полета.

Надежность и безопасность

Хвостовой винт и системы, которые обеспечивают его питание и управление, считаются критически важными для безопасного полета. Как и многие детали вертолета, хвостовой винт, его трансмиссия и многие детали в системе привода часто имеют ограниченный срок службы , что означает, что они произвольно заменяются после определенного количества часов полета, независимо от состояния. Между заменами детали подвергаются частым проверкам с использованием визуальных и химических методов, таких как флуоресцентный проникающий контроль, для выявления слабых деталей до того, как они полностью выйдут из строя.

Несмотря на акцент на сокращении отказов, они иногда случаются, чаще всего из-за жестких посадок и ударов хвостом или повреждения посторонним предметом . Хотя хвостовой винт считается необходимым для безопасного полета, потеря функции хвостового винта не обязательно приводит к фатальной аварии. В случаях, когда отказ происходит из-за контакта с землей, самолет уже находится на малой высоте, поэтому пилот может быть в состоянии уменьшить общий шаг основного винта и посадить вертолет до того, как он полностью выйдет из-под контроля. Если хвостовой винт откажет случайно во время крейсерского полета, поступательный импульс часто обеспечит некоторую курсовую устойчивость, так как многие вертолеты оснащены вертикальным стабилизатором . Затем пилот будет вынужден авторотировать и совершить аварийную посадку со значительной скоростью поступательного движения, что известно как посадка с разбегом или посадка с рулем .

Сам хвостовой винт представляет опасность для наземных служб, работающих вблизи работающего вертолета. По этой причине хвостовые винты окрашены полосами чередующихся цветов, чтобы повысить их видимость для наземных служб во время вращения хвостового винта.

Альтернативные технологии

Существуют три основных альтернативных проекта, которые пытаются устранить недостатки системы хвостового винта.

Первый заключается в использовании закрытого канального вентилятора вместо открытых лопастей ротора . Такая конструкция называется fantail или « Fenestron », торговая марка Eurocopter ( теперь Airbus Helicopters ) для ее служебных вертолетов серии Dauphin . Корпус вокруг вентилятора снижает потери от концевых вихрей , защищает лопасти от повреждения посторонними предметами , защищает наземный персонал от потенциальной опасности открыто вращающегося ротора и производит гораздо более тихий и менее турбулентный профиль шума , чем обычный хвостовой винт. Канальный вентилятор использует большее количество более коротких лопастей, но в остальном работает по очень похожим принципам тяги, что и обычный хвостовой винт.

Компания McDonnell Douglas разработала систему NOTAR ( NO TA il R otor), которая исключает наличие вращающихся частей на открытом воздухе. Система NOTAR использует канальный вентилятор с переменным шагом, приводимый в действие силовой установкой вертолета, но канальный вентилятор установлен внутри фюзеляжа перед хвостовой балкой, а выхлоп проходит через хвостовую балку до конца, где он выбрасывается с одной стороны. Это создает пограничный слой, который заставляет нисходящий поток от основного ротора охватывать хвостовую балку в соответствии с эффектом Коанды . Это создает силу, которая нейтрализует крутящий момент основного ротора и обеспечивает управление направлением. Преимущества системы аналогичны преимуществам системы Fenestron, описанной выше.

Существует по крайней мере четыре способа полностью исключить необходимость в хвостовом винте:

Тандемные / поперечные роторы : использовать два неперекрывающихся главных ротора, которые вращаются в противоположных направлениях, так что крутящий момент, создаваемый одним ротором, нейтрализует крутящий момент, создаваемый другим. Такие конфигурации обычно встречаются на вертолетах большой грузоподъемности, таких как CH-47 Chinook с тандемными роторами .

Конструкция конвертоплана , как у V-22 Osprey , представляет собой разновидность конструкции поперечного ротора, где роторы установлены в наклоняемых гондолах на концах неподвижных крыльев . Это позволяет роторам вместо этого выполнять функции пропеллеров при полете вперед на полной скорости.

Соосный. Другие конструкции, такие как Kamov Ka-50 и Sikorsky X2, используют соосные вращающиеся в противоположных направлениях несущие винты , что означает, что оба винта вращаются вокруг одной оси, но в противоположных направлениях. Сложность любой системы с двумя несущими винтами почти всегда требует добавления системы управления полетом по проводам , что резко увеличивает затраты.
Взаимозацепляющиеся роторы также вращаются в противоположных направлениях, но лопасти вращаются в зазоры между противостоящими лопастями, так что роторы могут пересекать траекторию друг друга, не сталкиваясь. Изобретено Антоном Флеттнером и использовалось в Flettner Fl 282 , ^[2] Kaman HH-43 Huskie и Kaman K-MAX .
Концевой реактивный двигатель . Другой способ устранения эффекта крутящего момента, создаваемого роторным крылом, заключается в установке двигателя на концах роторного крыла, а не внутри самого вертолета; это называется концевым реактивным двигателем . Одним из примеров вертолета, использующего такую систему, является NHI H-3 Kolibrie , у которого на каждом из двух законцовок крыла был прямоточный воздушно-реактивный двигатель, а также вспомогательная силовая установка для раскрутки ротора перед запуском прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Другим примером может служить Fairey Rotodyne . Кроме того, роторы без двигателя, используемые в автожире , гиродине и производных концепциях, также не нуждаются в хвостовом роторе, хотя почти все модели, использующие эту концепцию движения, так или иначе нуждаются во втором пропеллере, чтобы двигать их вперед с самого начала.

Смотрите также

Ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме « Хвостовые винты вертолетов» .

^[3]

^ Дэйв Джексон. «Динамика полета — определения и алгоритмы». Архивировано 01.11.2016 в Wayback Machine . UniCopter , 29 января 2013 г. Дата обращения: 19 ноября 2013 г.
^ Бойн, Уолтер Дж. (2011). Как вертолет изменил современную войну . Pelican Publishing. стр. 45. ISBN 978-1-58980-700-6.
^ Rotorcraft Flying Handbook (PDF) . Типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации США . 2000. С. 1-2 и 5-3. ISBN 1-56027-404-2. FAA-8083-21.