На вертолете несущий винт или несущая система представляет собой комбинацию нескольких вращающихся крыльев ( лопастей несущего винта ) с системой управления, создающей аэродинамическую подъемную силу, поддерживающую вес вертолета, и тягу , противодействующую аэродинамическому сопротивлению в полете вперед. . Каждый несущий винт установлен на вертикальной мачте над верхом вертолета, в отличие от хвостового винта вертолета , который соединяется через комбинацию приводного вала (ов) и редукторов вдоль хвостовой балки. Шаг лопастей обычно контролируется пилотом с помощью органов управления полетом вертолета . Вертолеты являются одним из примеров винтокрылых летательных аппаратов ( винтокрылых летательных аппаратов ). Название происходит от греческих слов helix , helik-, что означает спираль; и птерон, означающий крыло.
Несущий винт вертолета приводится в движение двигателем через трансмиссию к вращающейся мачте. Мачта представляет собой цилиндрический металлический вал, который выступает вверх от трансмиссии и приводится в движение. В верхней части мачты находится точка крепления (в просторечии называемая « гайкой Иисуса ») для лопастей несущего винта, называемая ступицей. Затем лопасти ротора прикрепляются к ступице, и ступица может иметь сопротивление, в 10–20 раз превышающее лопасти. [1] Системы несущего винта классифицируются в зависимости от того, как лопасти несущего винта прикреплены и движутся относительно втулки несущего винта. Существует три основные классификации: жесткие, полужесткие и полностью шарнирные, хотя в некоторых современных роторных системах используется комбинация этих классификаций. Ротор представляет собой тонко настроенную вращающуюся массу, а различные тонкие регулировки уменьшают вибрации на разных скоростях полета. [2] Несущие винты предназначены для работы с фиксированной частотой вращения [3] [4] [5] (в пределах узкого диапазона в несколько процентов), [6] [7] но на нескольких экспериментальных самолетах использовались несущие винты с регулируемой скоростью . [8]
В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных реактивных двигателях, несущий винт вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему ускорять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость потока воздуха при заданной величине тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять большое количество воздуха в малой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, [9] [10] низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) значительно увеличивает тягу самолета. энергоэффективность, а это снижает расход топлива и обеспечивает разумную дальность полета. [11] [12] Эффективность зависания («показатель качества») [13] типичного вертолета составляет около 60%. [14] Внутренняя треть лопасти несущего винта очень мало способствует подъемной силе из-за своей низкой воздушной скорости. [10]
Лопасти вертолета представляют собой длинные узкие профили с большим удлинением , форма которых сводит к минимуму сопротивление от вихрей на законцовках (для сравнения см. крылья планера ) . Обычно они содержат определенную степень вымывания , которая снижает подъемную силу, создаваемую на кончиках, где поток воздуха самый быстрый и образование вихрей может стать серьезной проблемой. Лопасти несущего винта изготавливаются из различных материалов, в том числе из алюминия, композитной конструкции, стали или титана , с абразивными щитками вдоль передней кромки.
Лопасти винтокрылых машин традиционно пассивны; однако некоторые вертолеты имеют на лопастях активные компоненты. В Kaman K-MAX используются закрылки на задней кромке для регулирования угла наклона лопастей, а Hiller YH-32 Hornet приводился в движение прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей. По состоянию на 2010 год [обновлять]продолжаются исследования по активному управлению лопастями с помощью закрылков. [15] Концы лопастей некоторых вертолетов могут быть специально разработаны для уменьшения турбулентности и шума, а также для обеспечения более эффективного полета. Примером таких наконечников являются наконечники роторов BERP , созданных в рамках Британской программы экспериментальных роторов.
Простой ротор Robinson R22 (сверху):
Хуан де ла Сьерва разработал полностью шарнирно-сочлененный ротор для автожира . Его конструкция позволила успешно разработать вертолет. В полностью шарнирно-сочлененной несущей системе каждая лопасть несущего винта прикреплена к ступице ротора с помощью ряда шарниров, которые позволяют лопасти двигаться независимо от других. Эти роторные системы обычно имеют три или более лопастей. Лопастям разрешено взмахивать, растушевываться, опережать или отставать независимо друг от друга. Горизонтальный шарнир, называемый качающимся шарниром , позволяет лезвию двигаться вверх и вниз. Это движение называется взмахом и предназначено для компенсации асимметрии подъемной силы . Шарнир взмаха может быть расположен на различных расстояниях от ступицы несущего винта, и может быть более одного шарнира. Вертикальный шарнир, называемый шарниром опережения-задержки или шарниром перетаскивания , позволяет лезвию перемещаться вперед и назад. Это движение называется опережение-отставание, перетаскивание или охота. Демпферы обычно используются для предотвращения чрезмерного движения вперед и назад вокруг шарнира сопротивления. Целью шарнира и амортизаторов является компенсация ускорения и замедления, вызванного разницей в сопротивлении, испытываемом продвигающимися и отступающими лопастями. Более поздние модели перешли от использования традиционных подшипников к эластомерным подшипникам. Эластомерные подшипники естественно безотказны, их износ постепенный и видимый. В этой конструкции исключается контакт металла с металлом старых подшипников и необходимость в смазке. Третий шарнир в полностью шарнирной системе называется шарниром флюгирования вокруг оси флюгирования. Этот шарнир отвечает за изменение шага лопастей несущего винта, возбуждаемое пилотным входом на коллективный или циклический.
Разновидностью полностью шарнирно-сочлененной системы является система несущего винта с мягкой плоскостью . Этот тип несущего винта можно встретить на нескольких самолетах производства Bell Helicopter, таких как OH-58D Kiowa Warrior . Эта система аналогична полностью шарнирно-сочлененной системе тем, что каждое лезвие может двигаться вперед/отставать и перемещаться независимо от других лезвий. Разница между полностью шарнирно-сочлененной системой и системой «мягкое в плоскости» заключается в том, что в системе «мягкое в плоскости» используется композитное ярмо. Это ярмо прикреплено к мачте и проходит через захваты между лопастями и срезной подшипник внутри захвата. Это ярмо передает некоторое движение одного лезвия другому, обычно противоположным лезвиям. Хотя это не полностью сформулировано, летные характеристики очень схожи, а время и стоимость обслуживания сокращаются.
Термин «жесткий ротор» обычно относится к бесшарнирной роторной системе [16] [17] с лопастями, гибко прикрепленными к ступице. Ирв Калвер из Lockheed разработал один из первых жестких несущих винтов, который был испытан и доработан на серии вертолетов в 1960-х и 1970-х годах. В жесткой роторной системе каждая лопасть колеблется и волочится за гибкими участками корня. Жесткая роторная система механически проще, чем полностью шарнирно-сочлененная роторная система. Аэродинамические и механические нагрузки от взмахов и сил опережения/запаздывания воспринимаются за счет изгиба лопастей несущего винта, а не за счет шарниров. Сгибаясь, лезвия сами компенсируют силы, которые раньше требовали прочных шарниров. В результате получается роторная система, которая имеет меньшую задержку в реакции управления из-за обычно создаваемого большого момента на ступице. [18] Таким образом, жесткая система ротора исключает опасность ударов мачты, присущую полужестким роторам. [19]
.jpg/1280px-Bell_205_(cropped).jpg)
Полужесткий ротор также можно назвать балансирующим или качающимся ротором. Эта система обычно состоит из двух лопастей, которые встречаются под общим качающимся или балансирующим шарниром на валу ротора. Это позволяет лопастям вращаться в противоположных движениях, как на качелях . Такое расположение лопастей под балансирующим шарниром в сочетании с адекватным двугранным или конусным углом лопастей сводит к минимуму отклонения радиуса центра масс каждой лопасти от оси вращения при повороте ротора, что, в свою очередь, снижает нагрузку на лопасти от сил опережения и отставания, вызванных эффектом Кориолиса . Вторичные шарниры также могут использоваться для обеспечения достаточной гибкости и минимизации подпрыгивания. Флюгирование осуществляется с помощью шарнира флюгирования у основания лопасти, который позволяет изменять угол наклона лопасти.
Современные роторные системы могут использовать комбинированные принципы упомянутых выше роторных систем. Некоторые ступицы ротора имеют гибкую ступицу, которая позволяет сгибать (сгибать) лопасти без необходимости использования подшипников или шарниров. Эти системы, называемые флексурами [20] , обычно изготавливаются из композитного материала. Эластомерные подшипники также могут использоваться вместо обычных роликовых подшипников . Эластомерные подшипники изготовлены из материала типа резины и обеспечивают ограниченное движение, что идеально подходит для вертолетов. Гибкие и эластомерные подшипники не требуют смазки и, следовательно, требуют меньшего обслуживания. Они также поглощают вибрацию, что означает меньшую усталость и более длительный срок службы компонентов вертолета.
Органы управления циклически изменяют шаг лопастей несущего винта во время вращения. Пилот использует это для управления направлением вектора тяги несущего винта , который определяет часть диска несущего винта, где развивается максимальная тяга. Коллективный шаг изменяет величину тяги ротора, одновременно увеличивая или уменьшая тягу по всему диску ротора. Эти изменения шага лопастей контролируются путем наклона, поднятия или опускания автомата перекоса с помощью органов управления полетом. Подавляющее большинство вертолетов поддерживают постоянную скорость вращения несущего винта (об/мин) во время полета, оставляя угол атаки лопастей единственным средством регулировки тяги несущего винта.
Автомат перекоса представляет собой два концентрических диска или пластины. Одна пластина вращается вместе с мачтой, соединенной холостыми звеньями, а другая не вращается. Вращающаяся пластина также соединена с отдельными лопастями посредством соединительных звеньев и рупоров подачи. Невращающаяся пластина соединена со звеньями, которыми управляют пилотные элементы управления, в частности коллективные и циклические элементы управления. Автомат перекоса может перемещаться по вертикали и наклоняться. Путем смещения и наклона невращающаяся пластина управляет вращающейся пластиной, которая, в свою очередь, регулирует шаг отдельных лезвий.
Ряд инженеров, в том числе Артур М. Янг в США и авиамоделист по радиоуправлению Дитер Шлютер в Германии, обнаружили, что устойчивость полета вертолетов может быть достигнута с помощью стабилизатора поперечной устойчивости или флайбара. Флайбар имеет груз или весло (или и то, и другое для дополнительной устойчивости на небольших вертолетах) на каждом конце для поддержания постоянной плоскости вращения. Благодаря механическим связям стабильное вращение стержня сочетается с движением автомата перекоса, чтобы демпфировать внутренние (рулевые), а также внешние (ветровые) силы, действующие на ротор. Это облегчает пилоту сохранение контроля над самолетом. Стэнли Хиллер пришел к аналогичному методу улучшения устойчивости путем добавления коротких коротких аэродинамических профилей или лопастей на каждом конце. Однако система «Rotormatic» Хиллера также подавала циклические управляющие сигналы на несущий винт в качестве своего рода управляющего ротора, а лопасти обеспечивали дополнительную стабильность, демпфируя воздействие внешних сил на ротор.
В системе несущего винта Lockheed использовался гироскоп управления, по принципу аналогичный гироскопу стабилизатора поперечной устойчивости Bell, но предназначенный как для обеспечения устойчивости без участия рук, так и для быстрого реагирования на управление бесшарнирной несущей системой.
В вертолетах с электродистанционным управлением или моделях с дистанционным управлением (RC) стабилизатор может заменить микроконтроллер с датчиками гироскопа и датчик Вентури . Преимущество этой конструкции без флайбара заключается в простой реконфигурации и меньшем количестве механических частей.
Большинство роторов вертолетов вращаются с постоянной скоростью. Однако замедление ротора в некоторых ситуациях может принести пользу.
По мере увеличения скорости движения скорость наступающего ротора вскоре приближается к скорости звука . Чтобы уменьшить проблему, скорость вращения можно замедлить, что позволит вертолету летать быстрее.
Чтобы отрегулировать подъемную силу несущего винта на более низких скоростях, в традиционной конструкции угол атаки лопастей несущего винта уменьшается за счет управления коллективным шагом. Вместо этого замедление несущего винта может уменьшить сопротивление на этом этапе полета и, таким образом, улучшить экономию топлива.
Большинство вертолетов имеют один несущий винт, но для преодоления крутящего момента требуется отдельный винт. Это достигается за счет рулевого винта изменяемого шага или рулевого винта. Именно эту конструкцию выбрал Игорь Сикорский для своего вертолета ВС-300 , и она стала признанным стандартом проектирования вертолетов, хотя конструкции могут различаться. Если смотреть сверху, роторы большинства американских вертолетов вращаются против часовой стрелки; Французские и российские вертолеты поворачиваются по часовой стрелке. [21]
В вертолете с одним несущим винтом создание крутящего момента при вращении ротора двигателем создает эффект крутящего момента , который заставляет корпус вертолета вращаться в направлении, противоположном направлению несущего винта. Чтобы устранить этот эффект, необходимо использовать какой-то тип противовращающего управления с достаточным запасом мощности, чтобы позволить вертолету сохранять курс и обеспечивать управление рысканьем. Три наиболее распространенных элемента управления, используемые сегодня, — это рулевой винт, Fenestron от Eurocopter (также называемый вентиляторным хвостом ) и NOTAR от MD Helicopters .
Хвостовой винт представляет собой винт меньшего размера, установленный так, что он вращается вертикально или почти вертикально на конце хвостового оперения традиционного одновинтового вертолета. Положение рулевого винта и расстояние от центра тяжести позволяют ему развивать тягу в направлении, противоположном вращению несущего винта, тем самым противодействуя эффекту крутящего момента, создаваемому несущим винтом. Хвостовые винты проще, чем несущие винты, поскольку для изменения тяги им требуется только совокупное 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, тем самым изменяя направление направления корабля.
.jpg/1280px-N175SC_tail_(EC120).jpg)
Fenestron и FANTAIL [22] являются товарными знаками канального вентилятора , установленного на конце хвостовой балки вертолета и используемого вместо рулевого винта. Канальные вентиляторы имеют от восьми до восемнадцати лопастей, расположенных с неравномерным расстоянием, поэтому шум распределяется по разным частотам. Корпус составляет одно целое с обшивкой самолета и обеспечивает высокую скорость вращения; следовательно, канальный вентилятор может иметь меньший размер, чем обычный рулевой винт.
Фенестрон был впервые использован в конце 1960-х годов на второй экспериментальной модели SA 340 компании Sud Aviation и производился на более поздней модели Aérospatiale SA 341 Gazelle . Помимо Eurocopter и его предшественников, хвостовой винт с канальным вентилятором также использовался на отмененном проекте военного вертолета RAH-66 Comanche армии США под названием FANTAIL.
NOTAR, аббревиатура от слова «без рулевого винта » , представляет собой вертолетную систему противодействия крутящему моменту, которая исключает использование рулевого винта на вертолете. Хотя на доработку концепции потребовалось некоторое время, система NOTAR теоретически проста и обеспечивает антикрутящий момент так же, как крыло развивает подъемную силу, используя эффект Коанды . [23] Вентилятор изменяемого шага установлен в хвостовой части фюзеляжа непосредственно перед хвостовой балкой и приводится в движение трансмиссией несущего винта. Чтобы создать боковую силу, противодействующую крутящему моменту по часовой стрелке, создаваемому несущим винтом, вращающимся против часовой стрелки (если смотреть сверху на несущий винт), вентилятор с регулируемым шагом нагнетает воздух под низким давлением через две прорези на правой стороне хвостовой балки, вызывая нисходящий поток от несущего винта обхватывает хвостовую балку, создавая подъемную силу и, таким образом, противодействующий крутящий момент, пропорциональный величине воздушного потока от потока несущего винта. Это дополняется реактивным подруливающим устройством прямого действия, которое также обеспечивает управление рысканием по направлению, с наличием оперения с неподвижной поверхностью возле конца хвостового оперения, включающего вертикальные стабилизаторы.
Разработка системы NOTAR началась в 1975 году, когда инженеры Hughes Helicopters начали разработку концепции. [23] В декабре 1981 года Хьюз впервые управлял самолетом OH-6A , оснащенным NOTAR. [24] Более сильно модифицированный прототип-демонстратор впервые поднялся в воздух в марте 1986 года и успешно завершил расширенную программу летных испытаний, проверив систему для будущего применения в конструкции вертолета. [25] В настоящее время существует три серийных вертолета конструкции NOTAR, все они производятся компанией MD Helicopters. Такая конструкция противовращающего момента также повышает безопасность, исключая возможность попадания персонала в рулевой винт.
.jpg/1280px-Belgium_Police_520N_(cropped).jpg)
Предшественником (своего рода) этой системы существовал британский вертолет Cierva W.9 , самолет конца 1940-х годов, в котором вентилятор охлаждения поршневого двигателя проталкивал воздух через сопло, встроенное в хвостовую балку, для противодействия крутящему моменту несущего винта. [26]
Несущий винт может приводиться в движение законцовыми струями. Такая система может питаться воздухом под высоким давлением, подаваемым компрессором. Воздух может смешиваться или не смешиваться с топливом и сжигаться в прямоточных, импульсных струях или ракетах. Хотя этот метод прост и исключает реакцию крутящего момента, построенные прототипы менее экономичны, чем обычные вертолеты. За исключением струй с наконечниками, приводимых в движение несгоревшим сжатым воздухом, очень высокий уровень шума является единственной наиболее важной причиной, по которой роторы с приводом от струи на концах не получили широкого распространения. Однако исследования в области подавления шума продолжаются и могут помочь сделать эту систему жизнеспособной.
Существует несколько примеров винтокрылых аппаратов с законцовым реактивным двигателем. Percival P.74 имел недостаточную мощность и не мог летать. Hiller YH-32 Hornet имел хорошую грузоподъемность, но в остальном работал плохо. Другие самолеты использовали вспомогательную тягу для поступательного полета, чтобы можно было отключить законцовочные жиклеры во время авторотации несущего винта. Экспериментальный Fairey Jet Gyrodyne , 48-местные пассажирские прототипы Fairey Rotodyne и составные автожиры McDonnell XV-1 хорошо летали, используя этот метод. Пожалуй, самой необычной конструкцией этого типа был вездеход Rotary Rocket Roton , который изначально предполагалось взлетать с использованием несущего винта с ракетной законцовкой. Французский Sud-Ouest Djinn использовал несгоревший сжатый воздух для привода несущего винта, что свело к минимуму шум и помогло ему стать единственным вертолетом с несущим винтом с законцовым реактивным двигателем, запущенным в производство. Hughes XH-17 имел концевой винт с реактивным приводом, который остается самым большим винтом, когда-либо установленным на вертолете.
.jpg/1280px-10th_Combat_Aviation_Brigade_Chinooks_in_action_(cropped).jpg)
Двойные несущие винты вращаются в противоположных направлениях, чтобы противодействовать воздействию крутящего момента на самолет, не полагаясь на рулевой винт противовращающего момента. Это позволяет самолету передавать мощность, которая приводила бы в движение рулевой винт, к несущим винтам, увеличивая грузоподъемность. В первую очередь, в трех распространенных конфигурациях винтокрылого аппарата используется эффект встречного вращения. Тандемные роторы представляют собой два ротора, один из которых установлен позади другого. Коаксиальные роторы представляют собой два ротора, установленных один над другим на одной оси. Сцепляющиеся несущие винты представляют собой два несущих винта, установленных близко друг к другу под углом, достаточным для обеспечения зацепления несущих винтов над верхней частью самолета. Другая конфигурация, встречающаяся на конвертопланах и некоторых ранних вертолетах, называется поперечными несущими винтами, когда пара несущих винтов установлена на каждом конце конструкции типа крыла или выносной опоры.
Тандемные несущие винты представляют собой два горизонтальных узла несущего винта, установленных один за другим. Тандемные несущие винты обеспечивают изменение угла наклона для ускорения и замедления вертолета посредством процесса, называемого циклическим шагом. Для наклона вперед и ускорения оба винта увеличивают шаг сзади и уменьшают шаг спереди (циклически), сохраняя одинаковый крутящий момент на обоих винтах, полет вбок достигается за счет увеличения шага с одной стороны и уменьшения шага с другой. Управление рысканием достигается за счет противодействия циклическому шагу каждого несущего винта. При повороте вправо передний ротор наклоняется вправо, а задний ротор наклоняется влево. При повороте влево передний ротор наклоняется влево, а задний ротор наклоняется вправо. Вся мощность ротора способствует подъемной силе, и легче справляться с изменениями центра тяжести вперед-назад. Однако для этого требуются затраты на два больших несущих винта, а не на более распространенный один большой несущий винт и хвостовой винт гораздо меньшего размера. Boeing CH-47 Chinook — самый распространенный вертолет с тандемным винтом.
Коаксиальные роторы представляют собой пару роторов, установленных один над другим на одном валу и вращающихся в противоположные стороны. Преимущество соосного несущего винта заключается в том, что при полете вперед подъемная сила, обеспечиваемая наступающими половинками каждого винта, компенсирует отступающую половину другого, устраняя один из ключевых эффектов асимметрии подъемной силы: срыв отступающих лопастей . Однако соосные роторы страдают и от других конструктивных соображений. Механическая сложность роторной системы увеличивается, поскольку для нее требуются тяги и автоматы перекоса для двух роторных систем. Кроме того, поскольку несущие винты должны вращаться в противоположных направлениях, мачта более сложна, и тяги управления изменением шага системы верхнего несущего винта должны проходить через систему нижнего несущего винта.
Взаимодействующие несущие винты на вертолете представляют собой совокупность двух несущих винтов, вращающихся в противоположных направлениях, при этом каждая мачта несущего винта установлена на вертолете под небольшим углом к другой так, что лопасти сцепляются друг с другом, не сталкиваясь. Эту конфигурацию иногда называют синхроптером. Сцепляющиеся роторы обладают высокой стабильностью и мощной грузоподъемностью. Эта схема была впервые применена в нацистской Германии в 1939 году с успешным проектом Flettner Fl 265 Антона Флеттнера , а позже была запущена в ограниченное производство как успешный Flettner Fl 282 Kolibri , использовавшийся немецкой Кригсмарине в небольших количествах (выпущено 24 планера) в качестве экспериментального самолета. легкий противолодочный вертолет. Во время Холодной войны американская компания Kaman Aircraft производила HH-43 Huskie для пожарных и спасательных операций ВВС США . Последняя модель Kaman, Kaman K-MAX , представляет собой специальную конструкцию небесного крана.
Поперечные несущие винты установлены на концах крыльев или аутригерах перпендикулярно корпусу самолета. Подобно тандемным роторам и роторам с зацеплением, поперечный ротор также использует дифференциальный общий шаг. Но, как и взаимодействующие несущие винты, поперечные несущие винты используют концепцию изменения положения винтокрылого аппарата по крену. Эта конфигурация встречается на двух из первых жизнеспособных вертолетов, Focke-Wulf Fw 61 и Focke-Achgelis Fa 223 , а также на самом большом из когда-либо построенных вертолетов в мире - Ми-12 . Эту конфигурацию также можно найти на конвертопланах , таких как Bell-Boeing V-22 Osprey и AgustaWestland AW609 .
Четверной ротор или квадротор состоит из четырех роторов в конфигурации «X». Роторы слева и справа имеют поперечную конфигурацию, а передние и задние — тандемную конфигурацию.
Преимущество четырехвинтовых двигателей на небольших самолетах, таких как дроны, заключается в возможности механической простоты. Квадрокоптер, использующий электродвигатели и роторы с фиксированным шагом, имеет всего четыре движущихся части. Тангаж, рыскание и крен можно контролировать, изменяя относительную подъемную силу различных пар несущих винтов без изменения общей подъемной силы. [27]
Два семейства аэродинамических профилей
Симметричные лопасти очень устойчивы, что помогает свести к минимуму скручивание лопастей и нагрузки на управление полетом. Эта стабильность достигается за счет сохранения практически неизменным центра давления при изменении угла атаки. Центр давления — это воображаемая точка на линии хорды, где считается сосредоточенной равнодействующая всех аэродинамических сил. Сегодня конструкторы используют более тонкие аэродинамические профили и добиваются необходимой жесткости за счет использования композитных материалов.
Некоторые аэродинамические профили имеют асимметричную конструкцию, то есть верхняя и нижняя поверхности не имеют одинакового изгиба. Обычно эти аэродинамические профили не были бы такими устойчивыми, но это можно исправить, согнув заднюю кромку, чтобы получить те же характеристики, что и симметричные аэродинамические профили. Это называется «рефлексировать». Использование этого типа лопастей позволяет роторной системе работать на более высоких скоростях движения. Одна из причин, по которой асимметричная лопасть несущего винта не так стабильна, заключается в том, что центр давления меняется с изменением угла атаки. Когда центр подъемной силы давления находится позади точки поворота лопасти несущего винта, это приводит к наклону диска ротора вверх. По мере увеличения угла атаки центр давления перемещается вперед. Если он движется впереди точки поворота, шаг роторного диска уменьшается. Поскольку угол атаки лопастей несущего винта постоянно меняется во время каждого цикла вращения, лопасти имеют тенденцию в большей степени взмахивать, флюгировать, опережать и отставать. [28]
Вертолеты с балансирующими винтами — например, с двухлопастной системой на Bell , Robinson и других — не должны подвергаться воздействию условий низкой перегрузки , поскольку такие роторные системы не контролируют положение фюзеляжа. Это может привести к тому, что фюзеляж примет положение, контролируемое импульсом и тягой рулевого винта, что приведет к тому, что хвостовая балка будет пересекать плоскость законцовки несущего винта, или к тому, что хвостовики лопастей соприкоснутся с приводным валом несущего винта, в результате чего лопасти отделятся от хвостовика несущего винта. ступица (бампировка мачты). [29]
При работе в песчаной среде песок, попадая на движущиеся лопасти несущего винта, разрушает их поверхность. Это может привести к повреждению роторов и создать серьезные и дорогостоящие проблемы с обслуживанием. [30]
Абразивные полосы на лопастях несущего винта вертолета изготовлены из металла, часто титана или никеля , которые очень тверды, но менее тверды, чем песок. Когда вертолет летит низко над землей в пустыне, попадание песка на лопасть несущего винта может вызвать эрозию. Ночью песок, попадающий на металлическую абразивную полосу, вызывает видимую корону или ореол вокруг лопастей ротора. Эффект вызван пирофорным окислением эродированных частиц и триболюминесценцией, при которой воздействие частиц песка вызывает фотолюминесценцию . [31] [32] [33]
Боевой фотограф и журналист Майкл Йон наблюдал этот эффект, сопровождая американских солдат в Афганистане. Когда он обнаружил, что у эффекта нет названия, он придумал название « эффект Коппа-Этчелла» в честь двух солдат, погибших на войне, одного американца и одного британца. [34]
Использование ротора для вертикального полета существовало с 400 г. до н.э. в форме бамбукового вертолета , древней китайской игрушки. [35] [36] Бамбуковый вертолет вращается путем вращения палки, прикрепленной к ротору. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летит, если ее отпустить. [35] В книге философа Гэ Хуна « Баопузи» («Мастер, постигающий простоту»), написанной около 317 г., описывается апокрифическое использование возможного ротора в самолетах: «Некоторые делали летающие машины [feiche 飛車] из дерева, находящегося внутри. дерева мармеладного, используя бычью кожу (ремни), прикрепленные к возвращающимся лезвиям, чтобы привести машину в движение». [37] Леонардо да Винчи сконструировал машину, известную как «воздушный винт» с ротором на основе водяного винта . Русский эрудит Михаил Ломоносов разработал ротор на основе китайской игрушки. Французский натуралист Кристиан де Лонуа сконструировал свой ротор из перьев индейки. [35] Сэр Джордж Кэли , вдохновленный китайской игрушкой в детстве, создал несколько машин вертикального полета с роторами, сделанными из листов жести. [35] Альфонс Пено позже в 1870 году разработал модель игрушечного вертолета с коаксиальным ротором, приводившуюся в движение резиновыми лентами. Одна из этих игрушек, подаренная отцом, вдохновила братьев Райт осуществить мечту о полете. [38]
До разработки практических вертолетов с двигателем в середине 20-го века пионер автожиров Хуан де ла Сьерва исследовал и разработал многие основы несущего винта. Де ла Сьерве приписывают успешную разработку многолопастных полностью шарнирно-сочлененных несущих систем. Эти системы в различных модифицированных формах составляют основу большинства современных многолопастных несущих систем вертолетов. Работа над автожиром составляет основу анализа вертолета. [39]
В первой успешной попытке создания вертолета с одним подъемным винтом использовался четырехлопастной несущий винт, разработанный советскими авиационными инженерами Борисом Юрьевым и Алексеем Черемухиным, работавшими в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ). ) под Москвой в начале 1930-х годов. Их вертолет ЦАГИ 1-ЭА смог летать на малых высотах в 1931–32 годах, а к середине августа 1932 года Черемухин поднял его на высоту 605 метров (1985 футов ) .
В 1930-х годах Артур Янг улучшил устойчивость двухлопастных несущих систем, введя стабилизатор поперечной устойчивости. Эта система использовалась в нескольких моделях вертолетов Bell и Hiller . Вариант системы Хиллера с лопастями с аэродинамическим профилем на концах флайбара использовался во многих самых ранних конструкциях моделей вертолетов с дистанционным управлением , начиная с их создания в 1970-х годах и до самого начала 21 века.
В конце 1940-х годов изготовление лопастей несущего винта вертолета вдохновило Джона Т. Парсонса стать пионером в области числового программного управления (ЧПУ). NC и CNC (компьютерное числовое управление) оказались важной новой технологией, которая позже повлияла на все отрасли обрабатывающей промышленности.
Ротор лучше всего обслуживается при вращении с постоянной скоростью ротора.
Скорость вращения несущего винта типичного вертолета может варьироваться в пределах 95-102%.
«Эффект короны» характеризуется характерными светящимися кольцами вдоль металлических или стекловолоконных лопастей несущего винта, работающих в условиях пустыни.
Второстепенная проблема, связанная с эрозией металлических абразивных полос, связана с видимой сигнатурой, которая возникает... вызывая эффект короны в песчаных средах.
Не менее важная проблема с защитой Ti заключается в том, что ночью вокруг лопастей ротора образуется видимая корона или ореол из-за попадания песка на переднюю кромку Ti, что приводит к искрам и окислению Ti.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )