Конструкция лопасти ротора BERP была разработана в рамках Британской экспериментальной программы ротора . Первоначальные лопасти ротора BERP были разработаны в конце 1970-х — середине 1980-х годов в рамках совместной программы между Westland Helicopters и Королевским авиастроительным заводом (RAE), с профессором Мартином Лоусоном в качестве со-патентоведа. [1] Целью было увеличение грузоподъемности вертолета и максимальной скорости с использованием новых конструкций и материалов.
Когда объекты приближаются к скорости звука , ударные волны образуются в областях, где локальный поток ускоряется выше скорости звука. Обычно это происходит на изогнутых участках, таких как окна кабины, передние кромки крыла и подобные области, где принцип Бернулли ускоряет воздух. Эти ударные волны излучают большое количество энергии, которая должна быть предоставлена двигателями, что представляется самолету в целом как большое количество дополнительного сопротивления, известного как волновое сопротивление . Именно возникновение волнового сопротивления порождает идею звукового барьера .
У вертолетов есть дополнительная проблема, заключающаяся в том, что их роторы движутся относительно фюзеляжа во время вращения. Даже при зависании кончики роторов могут двигаться со значительной долей скорости звука. По мере ускорения вертолета его общая скорость добавляется к скорости кончиков, что означает, что лопасти на движущейся вперед стороне ротора видят значительно более высокую воздушную скорость, чем на движущейся назад стороне, вызывая асимметрию подъемной силы . Это требует изменения угла атаки лопастей, чтобы обеспечить одинаковую подъемную силу с обеих сторон, несмотря на большие различия в относительном потоке воздуха.
Именно способность ротора изменять схему подъема накладывает ограничение на скорость движения вертолета вперед; в какой-то момент скорость движения вперед означает, что лопасти, движущиеся назад, находятся ниже скорости сваливания . Момент, в котором это происходит, можно улучшить, заставив ротор вращаться быстрее, но тогда он сталкивается с дополнительной проблемой, заключающейся в том, что на высоких скоростях лопасти, движущиеся вперед, приближаются к скорости звука и начинают страдать от волнового сопротивления и других негативных эффектов.
Одним из решений проблемы волнового сопротивления является то же, что было на реактивных истребителях 1950-х годов, использование стреловидности крыла . Это снижает влияние волнового сопротивления без существенных отрицательных эффектов, за исключением очень низких скоростей. В случае истребителей это было проблемой, особенно при посадке, но в случае вертолетов это не такая уж и большая проблема, поскольку законцовки ротора не замедляются значительно, даже во время посадки. Такие стреловидные законцовки можно увидеть у ряда типов вертолетов 1970-х и 80-х годов, в частности, у UH-60 Blackhawk и AH-64 Apache .
Однако, чтобы гарантировать, что центр тяжести или аэродинамический центр не перемещается за упругую ось лопасти (что может привести к нежелательным аэродинамическим и инерционным связям), то кончик должен быть сконфигурирован со смещением площади вперед. Это можно свести к минимуму, осознав, что число Маха меняется вдоль лопасти, поэтому нам не нужно использовать постоянный угол стреловидности, тем самым минимизируя величину смещения площади вперед.
Методология, используемая при проектировании лопасти BERP, гарантирует, что эффективное число Маха, нормальное к лопасти, остается номинально постоянным по всей стреловидной области. Максимальная стреловидность, применяемая на большей части лопасти BERP, составляет 30 градусов, а кончик начинается с безразмерного радиуса r/R=cos 30 = 86% радиуса. Распределение площади этой области кончика настроено так, чтобы гарантировать, что средний центр давления кончика расположен на упругой оси лопасти. Это достигается путем смещения местоположения локальной оси 1/4 хорды вперед на 86% радиуса.
Это смещение также создает разрыв в передней кромке (называемый выемкой), что приводит к другим интересным эффектам. Например, недавние расчеты с использованием кода CFD на основе уравнений Навье-Стокса показали, что эта "выемка" на самом деле помогает еще больше снизить силу ударных волн на лопасти. Таким образом, неожиданным побочным продуктом выемки сверх основного эффекта стреловидности является помощь в еще большем снижении эффектов сжимаемости.
Мы также должны признать, что геометрия стреловидного конца такого рода не обязательно улучшит производительность лопасти при большом угле атаки, соответствующем отступающей стороне диска. Фактически, опыт показал, что лопасть со стреловидным концом может иметь худшую характеристику сваливания по сравнению со стандартным концом лопасти.
Лопасть BERP использует окончательную геометрию, которая работает как стреловидный наконечник при высоких числах Маха и малых углах атаки, но также позволяет наконечнику работать при очень больших углах атаки без сваливания. Это последнее свойство было получено путем радикального увеличения стреловидности самой внешней части наконечника (приблизительно 2% внешнего) до значения (70 градусов), при котором любой значительный угол атаки вызовет отрыв потока на передней кромке.
Поскольку передняя кромка имеет такую большую стреловидность, этот отрыв передней кромки превращается в вихревую структуру, которая катится вокруг передней кромки и в конечном итоге располагается на верхней поверхности (как на самолете с треугольным крылом). Этот механизм усиливается за счет того, что передняя кромка аэродинамического профиля в этой области становится относительно острой.
По мере увеличения угла атаки этот вихрь начинает развиваться из точки, расположенной все дальше и дальше вперед вдоль передней кромки, следуя геометрии формы плана в более умеренно стреловидную область. При достаточно большом угле атаки вихрь начнется вблизи передней части передней кромки около области «выемки».
Доказательства показали, что также формируется сильный вихрь "выемки", который тянется по потоку через лопасть. Этот вихрь действует как аэродинамическое ограждение и сдерживает область отрыва потока от вторжения в область кончика. Дальнейшее увеличение угла атаки мало меняет структуру потока, пока не будет достигнут очень большой угол атаки (вблизи 22 градусов!), когда поток грубо разделится. Для обычной формы кончика в плане можно было бы ожидать аналогичного грубого разрыва потока при местном угле атаки около 12 градусов.
Таким образом, лезвие BERP удается извлечь лучшее из обоих миров, уменьшая эффекты сжимаемости на наступающей лопасти и задерживая начало срыва отступающей лопасти. Конечный результат — значительное увеличение эксплуатационного диапазона полета.
Первоначальная программа BERP I изучала проектирование, производство и квалификацию композитных лопастей ротора. Это привело к производству новых лопастей основного и хвостового роторов для Westland Sea King . После первой программы вторая программа BERP II анализировала усовершенствованные аэродинамические профили для будущих лопастей ротора. Это вошло в программу BERP III.
Конструкции BERP III имеют выемку по направлению к внешнему концу лопасти ротора, с большей величиной стреловидности от выемки до конца лопасти по сравнению с внутренней частью выемки. [2] BERP III завершился демонстрацией технологии на вертолете Westland Lynx . [3] В 1986 году специально модифицированный Lynx G-LYNX установил абсолютный рекорд скорости для вертолетов на дистанции 15 и 25 км, достигнув 400,87 км/ч (249,09 миль/ч). [2] После успешной демонстрации технологии лопасть BERP III пошла в производство.
BERP IV использует: новый аэродинамический профиль, измененную форму кончика лопасти и увеличенную крутку лопасти. После 29 часов испытаний было обнаружено, что он «улучшает характеристики полета ротора в диапазоне, снижает потребность в мощности при висении и полете вперед, ... уменьшает вибрацию планера и двигателя для диапазона взлетных масс». [4] Кроме того, «нагрузка на ступицу ротора оказалась такой же или меньше, чем у лопасти BERP III, которая теперь установлена на вертолете EH101 ». [4] Для предотвращения эрозии передней кромки лопасть будет использовать резиновую ленту вместо полиуретановой, используемой на британских военно-морских самолетах Sea Kings. В ходе испытаний было обнаружено, что она прослужила в пять раз дольше, 195 минут против 39 минут. Программа завершилась в августе 2007 года [4]
Текущие приложения: