УСТОЙЧИВОСТЬ И УПРАВЛЯЕМОСТЬ ОДНОВИНТОВЫХ ВЕРТОЛЕТОВ
1. СИЛЫ И МОМЕНТЫ НА НЕСУЩЕМ И ХВОСТОВОМ ВИНТЕ
Для лучшего понимания физической сущности устойчивости и управляемости вертолета необходимо кратко напомнить некоторые сведения из аэродинамики вертолета [2].
Несущий винт является основным средством создания на вертолете сил и моментов, необходимых для управления в продольной и поперечной плоскости. Рассмотрим основные его свойства с этой точки зрения, имея в виду несущий винт обычной конструкции с шарнирно подвешенными лопастями.
1. Равнодействующая сила на несущем винте (близкая по величине к силе тяги несущего винта) отклоняется в пространстве относительно оси вала винта в соответствии с продольным и поперечным наклоном механизма изменения циклического шага (автомата перекоса). Наклон равнодействующей силы пропорционален наклону кольца автомата перекоса, а следовательно, и отклонению ручки управления и происходит в том же направлении. Таким образом, продольное отклонение ручки управления вызывает воздействие на вертолет продольного управляющего момента и продольной силы, а поперечное отклонение соответственно поперечного управляющего момента и боковой силы. Рассматриваемое свойство в отношении моментов можно записать:
Mz=mIz-aZ2, МХ=МІХ-АЬХ.
2. Равнодействующая сила на несущем винте при полете вертолета с поступательной скоростью в общем случае отклоняется относительно оси вала винта назад и вбок (в сторону наступающей лопасти), причем это отклонение тем больше, чем больше скорость полета V.
Это свойство несущего винта означает, что при изменении скорости полета на вертолет будут действовать продольный момент с продольной силой и поперечный момент с боковой силой. Знаки Мг и силы X соответствуют устойчивости, т. е. при увеличении скорости полета продольный момент направлен на кабрирование, а продольная сила — на
уменьшение скорости. Запишем выражения для продольного момента и продольной силы:
MZ = MVZ- ЬУ, X = Xv-b/.
Величина Mvz = ^—^ является основной в оценке устойчивости вер-
v., дХ
толета по скорости, а величина Xу — — определяет поступательное демпфирование вертолета. Выражения для поперечного момента и боковой силы’будут иметь аналогичную форму.
3. При отклонении оси несущего винта в пространстве по крену или по тангажу равнодействующая сил на несущем винте, вследствие инерции лопастей и шарнирной их подвески, несколько отстает от оси винта и отклоняется вбок. Это явление было исследовано М. Л. Милем [18]. Отставание тем больше, чем больше угловая скорость тангажа или крена, чем тяжелее лопасти и чем меньше число оборотов несущего винта. Это означает, что при вращении вертолета по тангажу на него будет действовать продольный момент, направленный в сторону, противоположную вращению, а при вращении по крену — поперечный момент, так же направленный против вращения. Этот демпфирующий момент может быть записан в виде:
Мг=Мш/-шг, МХ=МШ/-«V
4. При полете с поступательной скоростью равнодействующая сила на несущем винте отклоняется назад при увеличении угла атаки несущего винта (угол между направлением относительной воздушной скорости и плоскостью концов лопастей). Это соответствует неустойчивости несущего винта по углу атаки, т. е. при увеличении угла атаки на вертолете появляется момент, направленный на дальнейшее его увеличение.
Все сказанное выше относилось к несущему винту, не имеющему разноса горизонтальных шарниров (ГШ). Винт с разнесенными ГШ (рис. 1.1), сохраняя в общем перечисленные основные свойства, имеет некоторые особенности. Вместе с наклоном равнодействующей вследствие отклонения управления, воздействия поступательной скорости или при повороте оси винта в пространстве появляется дополнительный момент в плоскости наклона равнодействующей [3]. Он создается центробежными силами лопастей на плече, пропорциональном величине разноса ГШ.
Эффект появления дополнительного момента на несущем винте от разноса ГШ может быть просто учтен, если принять, что равнодействующая сил на винте в этом случае приложена не в центре втулки, а в некоторой фиктивной точке на оси винта, находящейся над центром втулки на расстоянии А у от него. Величина А у пропорциональна разносу ГШ (/гш ) и зависит от массовых характеристик лопастей и оборотов несущего винта.
Таким образом, все свойства несущего винта без разноса ГШ могут быть отнесены и к случаю винта с разнесенными ГШ. Моменты от несущего винта, действующие относительно ЦТ вертолета, могут быть определены по уже упомянутым зависимостям, но с учетом так называемой «эффективной высоты» втулки г/э, являющейся суммой расстояния от ЦТ вертолета вдоль вертикальной оси до центра втулки г/т и добавки А у, обусловленного разносом ГШ (см. гл. V) г/э^т+Ду. Из этого следует, что несущий винт с разнесенными ГШ будет иметь увеличенные эффек-
тивность управления, устойчивость по скорости и демпфирование по сравнению с таким же винтом без разноса ГШ.
Как будет выяснено далее, увеличение эффективности управления и демпфирования несущего винта способствует улучшению управляемости вертолета. Увеличение демпфирования несущего винта с шарнирными лопастями может быть достигнуто путем применения специальной системы управления лопастями — системы со стабилизирующим стержнем. В этой конструкции циклический шаг является суммой углов отклонения автомата перекоса и стабилизирующего стержня, представляющего собой гироскоп, вращающийся вместе с валом винта. При отклонении оси несущего винта в пространстве стабилизирующий стержень стремится сохранить свою плоскость вращения и воздействует на циклический шаг винта, в результате чего на несущем винте появляется демпфирующий момент. Такая система управления в течение многих лет применяется на вертолетах американской фирмы «Белл».
В последнее время, после нескольких лет экспериментальных работ, американская фирма «Локхид» приступила к производству вертолетов с жестким несущим винтом, т. е. винтом, лопасти которого не имеют горизонтальных и вертикальных шарниров [36, 42, 43].
Жесткий (или точнее бесшарнирный) несущий винт обладает, в общем, теми же основными свойствами, что и шарнирный. Отличие его от шарнирного заключается, в основном, в том, что вследствие консольного крепления ко втулке лопасти могут передавать на втулку большие управляющие и демпфирующие моменты.
На вертолетах Локхид управление жестким несущим винтом осуществляется через специальный управляющий гироскоп. С помощью ручки управления летчик заставляет прецессировать этот гироскоп, который изменяет циклический шаг несущего винта. Эффективность управления, получающаяся при этом, намного больше, чем для шарнирного винта с малым разносом ГШ. Управляющий гироскоп реагирует, кроме того, на угловые скорости вертолета. Его реакция обусловлена прецессией и направлена на создание отклонений циклического шага, препятствующих вращению вертолета. Таким путем вместе с большой эффективностью управления достигается мощное демпфирование. Управление циклическим шагом соответствующим образом фазируется, чтобы устранить нежелательную продольно-поперечную взаимосвязь.
Путевое управление вертолетом осуществляется изменением общего шага хвостового винта. При отклонении педалей управления на величину ду происходит приращение силы тяги хвостового винта и на вертолет действует путевой управляющий момент Му, величина которого равна Му= МЬуУ-ЬЬу.
Производная = будет, таким образом, характеризовать
д? у
эффективность путевого управления. При вращении вертолета относительно вертикальной оси сила тяги хвостового винта увеличивается, если направление воздушного потока сквозь диск хвостового винта совпадает с направлением его тяги, и наоборот. Это вызывает появление путевого демпфирующего момента АҐХ>у.
Производная Mwyy будет характеризовать демпфирование рыс
канья вертолета.