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.

Подпись: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.

Рассмотрев силы и моменты, возникающие на несущем и хвостовом винте одновинтового вертолета, обратимся к устойчивости вертолета в це­лом, имея в виду вертолет с шарнирным несущим винтом.