Асимметрия подъемной силы [1] : 2–20 [2] (также известная как асимметрия подъемной силы [3] : 342 [4] или асимметричная подъемная сила [5] [6] ) в аэродинамике винтокрылых аппаратов относится к неравному количеству подъемной силы на противоположных сторонах диска ротора . Это явление, которое влияет на однороторные вертолеты и автожиры в прямом полете.
Лопасть ротора, которая движется в том же направлении, что и самолет, называется наступающей лопастью , а лопасть, движущаяся в противоположном направлении, называется отступающей лопастью. Если смотреть сверху, большинство американских вертолетных роторов вращаются против часовой стрелки; французские и российские вертолеты вращаются по часовой стрелке. [3] : 141
Балансировка подъемной силы по диску ротора важна для устойчивости вертолета. Величина подъемной силы, создаваемой аэродинамическим профилем, пропорциональна квадрату его воздушной скорости (скорости). В зависании лопасти ротора имеют одинаковую воздушную скорость и, следовательно, одинаковую подъемную силу. Однако в прямом полете наступающая лопасть имеет более высокую воздушную скорость, чем отступающая лопасть, создавая неравномерную подъемную силу по диску ротора. [7] [8] : 1–104
Рассмотрим однороторный вертолет в неподвижном воздухе. Для неподвижного (зависшего) вертолета, лопасти которого длиной r метров вращаются со скоростью ω радиан в секунду, конец лопасти движется со скоростью r ω метров в секунду. По мере вращения лопастей скорость концов лопастей относительно воздуха остается постоянной.
Теперь представьте вертолет в прямом полете со скоростью v метров в секунду. Скорость конца лопасти в точке A на диаграмме относительно воздуха равна сумме скорости конца лопасти и скорости поступательного полета вертолета: r ω+ v . Но скорость конца лопасти в точке B относительно воздуха равна разности его скорости вращения и скорости поступательного полета: r ω- v .
Поскольку подъемная сила, создаваемая аэродинамическим профилем, увеличивается с увеличением его относительной скорости полета, на движущемся вперед вертолете конец лопасти в точке A создает большую подъемную силу, чем в точке B. Таким образом, диск ротора создает большую подъемную силу с правой стороны, чем с левой (для вертолета американского типа). Этот дисбаланс называется «асимметрией подъемной силы».
Асимметрия подъемной силы вызывает тангаж назад, а не крен. [1] : 2–20
На очень высоких поступательных скоростях отступающая лопасть имеет недостаточную скорость полета для поддержания подъемной силы, состояние, называемое срывом отступающей лопасти . Это заставляет вертолет крениться в сторону отступающей лопасти и поднимать тангаж. Такая ситуация, если ее не распознать сразу, может привести к серьезной потере управляемости самолета. Срыв отступающей лопасти является фактором, определяющим максимальную поступательную скорость вертолета, никогда не превышаемую скорость (V NE ).
При очень высоких скоростях движения вперед движущаяся лопасть может стать сверхзвуковой . Это еще один фактор, определяющий никогда не превышаемую скорость.
Асимметрия подъемной силы компенсируется уменьшением угла атаки наступающей лопасти и увеличением угла атаки отступающей лопасти. Это достигается взмахами лопасти и циклическим флюгированием.
Взмах лопасти является основным средством противодействия асимметрии подъемной силы. [1] : 2–14 Лопасти ротора предназначены для взмаха: наступающая лопасть взмахивает вверх и развивает меньший угол атаки из-за изменения относительных векторов ветра, тем самым создавая меньшую подъемную силу, чем жесткая лопасть. Наоборот, отступающая лопасть взмахивает вниз, развивает больший угол атаки из-за изменения относительных векторов ветра и создает большую подъемную силу. Взмах приводит к взмаху назад , наклону назад диска ротора.
Асимметрии подъемной силы также противодействует циклическое флюгирование, т. е. изменение угла атаки лопастей ротора при их вращении вокруг ступицы.
Существует предел, до которого изменение угла атаки может противодействовать асимметрии подъемной силы. Это накладывает ограничение на максимальную скорость движения вертолета вперед.
В вертолетах с соосными роторами два роторных диска вращаются в противоположных направлениях. Асимметрия подъемной силы одного роторного диска компенсируется асимметрией подъемной силы другого роторного диска. [ необходима цитата ]
Вертолеты с тандемными роторами, такие как CH-47 Chinook, все еще страдают от асимметрии подъемной силы, поскольку роторы смещены относительно друг друга. Вертолеты с тандемными роторами оснащены автоматическими циклическими системами флюгирования. На низких скоростях полета махание лопастей компенсирует асимметрию подъемной силы. По мере увеличения скорости полета, обычно выше 70 узлов, эти системы обеспечивают более ровное положение фюзеляжа, что снижает нагрузку на механизмы привода ротора. [8] : 1–112