Жёсткие НВ

Есть серия вертолётов немецкого происхождения: Bo-105, BK-117. С виду вполне обычные машины, однако в описаниях подчёркивается, что у них жёсткий НВ.
В связи с этим у меня возникли вопросы. Надеюсь, Timofey и другие знатоки помогут их прояснить.
1. Каким образом конструкторы MBB решили проблему махового движения лопастей - ведь силы, действующие на ротор, никто не отменял?
2. Какие преимущества имеет жёсткий НВ перед артикулируемым? Настолько ли они важны, чтобы тратить значительные усилия на решение его проблем? Ведь не случайно у более успешных коммерчески одноклассников либо полный комплект шарниров ("Экюрей"; вариации и развитие Хьюз-369), либо полужёсткий НВ (аппараты Белла).

Дмитрий, давайте попробую ответить. Правда не по порядку.
Для наглядности можно привести картинку втулки несущего винта вертолёта Bo.105.

А чтобы можно было с чем-то сравнить, вот ещё картинка втулки вертолёта S-58, которая считается довольно компактной и простой для своего класса. (пока не обращайте внимания, что она имеет механизм складывания лопастей; он не такой большой)

Ответ на Ваш второй вопрос отчасти виден из простого сравнения картинок:
- втулка жесткого несущего винта не имеет ни вертикальных (ВШ), ни горизонтальных шарниров (ГШ); она получается более простой, дешёвой и лёгкой (что немаловажно в авиации); она проще в изготовлении и техническом обслуживании.
- раз нет ВШ, то нет необходимости устанавливать демпферы ВШ. Т.е. - "минус" ещё одни торчащие элементы. Нет также ограничителей взмаха и свеса лопасти.
- у такой втулки лучше аэродинамика, более богатые возможности по установки надвтулочных блоков (например: РЛС).
Это всё касалось "прямых" конструктивных преимуществ. Но есть ещё и положительные моменты в управлении вертолётом:
- в классических трехшарнирных втулках разнос ГШ обычно составляет 2-3%, на жестком винте, хоть и нет ГШ, вводят понятие эквивалентного ГШ (т.е. "виртуального шарнира", как если бы он был на винте). Так для вертолёта Tiger, имеющим тоже жесткий несущий винт, разнос эквивалентных ГШ составляет около 10% (!). Как Вы понимаете, эта величина сильно вляет на маневренность вертолёта.

>Каким образом конструкторы MBB решили проблему махового движения лопастей - ведь силы, действующие на ротор, никто не отменял?
Верно, силы продолжают действовать на лопасти и такого винта.
Лопасть несущего винта - сложно нагруженный элемент. Чтобы облегчить её жизнь (следовательно продлить её ресурс), старались избавиться от части нагрузок введя шарниры.
Но в жёстком несущем винте решили избавиться от самих шарниров и сопутствующих им систем. Т.к. нагрузки на лопасть никуда исчезать не собираются, сами лопасти выполняют более прочными. Про лопасти BK-117 говорится "...лопасти сохраняют работоспособность при простреле их пулями, они устойчивы по отношению к ударам и механическим повреждениям. Так, испытания показали, что в зависимости от твердости дерева, стволы и ветки небольших деревьев диаметром ствола до 10см отсекаются без повреждения лопасти." (404 Not Found)
Возможность создания жёстких несущих винтов произошла благодаря появлению материалов и технологий производства лопастей работающих в столь жёстких условиях.

Стоит также отметить, что пока удаётся создать жёсткие винты только для относительно нетяжёлых вертолётов. С ростом веса вертолёта растут и нагрузки, которые действуют на винт и лопасти.

Уважаемый Тимофей, большое спасибо!
Действительно, втулка с полным комплектом шарниров конструктивно намного сложнее. Вопрос немножко в сторону: относительная простота изображённой втулки S-58 - наверное, благодаря карданным крестовинам?

Так для вертолёта Tiger, имеющим тоже жесткий несущий винт, разнос эквивалентных ГШ составляет около 10% (!)

 

Благодаря Вашему предыдущему разъяснению понимаю, насколько это облегчает управляемость.
В общем, если я правильно понял, жёсткий НВ в эксплуатации значительно выгоднее, однако создание жёсткого НВ с разумным ресурсом стало возможным только после появления композитных материалов, обладающих стойкостью к излому?

Стоит также отметить, что пока удаётся создать жёсткие винты только для относительно нетяжёлых вертолётов. С ростом веса вертолёта растут и нагрузки, которые действуют на винт и лопасти.

 

Не в этом ли была причина неуспеха Lockheed Cheyenne?

>Dmitry_A: относительная простота изображённой втулки S-58 - наверное, благодаря карданным крестовинам?
Этими крестовинами разработчики объединили сразу два шарнира: втулка с совмещенными шарнирами. Это позволило выйграть в размерах и весе.

>Dmitry_A: создание жёсткого НВ с разумным ресурсом стало возможным только после появления композитных материалов, обладающих стойкостью к излому?
Не просто к разововому механическому воздействию (изгиб, растяжение), а к усталостным нагрузкам (многократному нагружению относительно небольшими силами). Ведь лопасть не просто растягивается центробежными силами, но и испытывает изгиб и кручение: за каждый оборот винта в горизонтальном полете она взмахивает то вверх, то вниз. И так на протяжении всего полета.
Но важно не просто получить материалы, которые удовлетворят конструкторов по своим характеристикам. Наверное, даже более важно уметь ими пользоваться, разработать технологию производства техже лопастей из таких материалов.

>Dmitry_A: Не в этом ли была причина неуспеха Lockheed Cheyenne?
Возможно, это было одной из причин. Ведь AH-56A имел не просто жесткий винт, но и был скоростным вертолетом. Может быть проявились какие-нибудь неприятности винта на больших скоростях. Тут я пока врать не буду.
Вот для S-69 одной из причин отказа от программы называли недостаточную прочность лопастей несущих винтов.

Гм. И все-таки я не понял. ГШ учавствует в выравнивании подъёмной сили на наступающей и отступающей лопастях, позваляя лопасти совершать взмах и менять самой себе угол установки. Тоже происходит на эластомерной и торсионной втулке. На рисунке я вижу торсион, но не вижу как лопасть может совершать маховое движение, т.к. все жестко закреплено. Как тогда происходит выравнивание подъёмной силы при поступательном движении верта?

Бредли, 06.07.2004 20:40:20 :

На рисунке я вижу торсион, но не вижу как лопасть может совершать маховое движение, т.к. все жестко закреплено.

 

Уважаемый Бредли,
Как я понимаю, маховое движение совершается за счёт упругого изгиба самой лопасти. Геометрия изгиба такова, что получаемый эффект аналогичен обычной лопасти с 10%-ным выносом ГШ, о чём упоминал Тимофей.

Вопрос к уважаемому Тимофею по "Шайенну":
На втулке НВ у этой чудо-машины смонтирована интересная конструкция. Я нашёл картинку, где она видна довольно отчётливо.
Подозреваю, что это гироскопический стабилизатор, подобный конструкции Белла-Янга. Прав я или ошибаюсь?

Вдогонку:

Бредли, 06.07.2004 20:40:20:

На рисунке я вижу торсион, но не вижу как лопасть может совершать маховое движение, т.к. все жестко закреплено.

 

Как я понял из схемы, торсион работает с осевым шарниром. Похоже, демпфирует изменения угла атаки лопасти.

"Подозреваю, что это гироскопический стабилизатор, подобный конструкции Белла-Янга"
- С виду очень похоже. По крайней мере, иначе трудно обьяснить назначение этого стержня с управляющими лопастями.

] На рисунке я вижу торсион, но не вижу как лопасть может совершать маховое движение, т.к. все жестко закреплено.
Торсион здесь выполняет только одну роль - воспринимает центробежную силу лопасти, разгружая подшипники осевого шарнира (ОШ) от осевых сил. Лопасть может только вращаться в ОШ, в остальном она жёстко закреплена - поэтому такие винты и называются жёсткими.
Как уже отметил Дмитрий, маховое движение лопастей происходит не засчёт горизонтальных шарниров, от которых отказались, а засчёт гибкости самой лопасти.

]На втулке НВ у этой чудо-машины смонтирована интересная конструкция. Я нашёл картинку, где она видна довольно отчётливо.
]Подозреваю, что это гироскопический стабилизатор, подобный конструкции Белла-Янга.
Верно, это и есть гироскопический стабилизатор. AH-56А построили после исследований AH-51A, а тот в свою очередь позаимствовал концепцию винта от CL-475 (вроде так ). У последнего правда был кольцевой гиростабилизатор: вместо просто грузов на качалке, на качалке под винтом стояло массивное кольцо.

Торсион здесь выполняет только одну роль - воспринимает центробежную силу лопасти, разгружая подшипники осевого шарнира (ОШ) от осевых сил.

 

А я-то не догадался. Хотя на рисунке была подсказка - игольчатые подшипники в шарнире, не способные противостоять продольному смещению.
Решение красивое.
Уважаемый Тимофей, а вообще, какими способами может предотвращаться заклинивание ОШ от центробежных сил? Мне лично на ум не пришло ничего, кроме радиально-упорных подшипников. Ну и ещё эластомерные подшипники, работающие не только на кручение, но и на сжатие.

а вообще, какими способами может предотвращаться заклинивание ОШ от центробежных сил? Мне лично на ум не пришло ничего, кроме радиально-упорных подшипников. Ну и ещё эластомерные подшипники, работающие не только на кручение, но и на сжатие.

 

Дмитрий, Вы и так назвали практически все используемые способы восприятития центобежной силы в ОШ
Что можно вспомнить из существующего на сегодняшний момент:
1) упорные подшипники качения
- цилиндрические роликовые (они могут работать при больших нагрузках, чем шариковые, и имеют преимущество перед коническими роликовыми);
- шариковые радиально-упорные (обычно делают многорядными из-за ограничения усилия на один подшипник), например: втулка S-58;
2) металлофторопластовые подшипники скольжения (довольно экзотично);
3) торсионы (принцип один, но имеют различие из чего изготовлены)
- пластинчатые (Bo.105);
- проволочные;
- пластиковые ("Ансат");
4) V-образный торсион (стоит обособлено, т.к. заменяет собой сразу все шарниры). Такая втулка на MD-500.
5) эластомерные подшипники (ЭП)
- конический ЭП (вроде как на AH-1W);
- сферический ЭП (на Ми-28).

Dmitry_A, 21.07.2004 05:39:53:

...чем можно объяснить концепцию Lockheed "жёсткая втулка + гироскопический стабилизатор"?
Ведь таким образом нивелируется важное свойство жёсткого НВ - конструкционная и эксплуатационная простота.

 

Так басурмане... Что с них взять?
Дмитрий, год-то какой тогда был? Ведь речь шла не о окончательном серийном выпуске этого вертолета, а о больше об исследованиях. Как в конструции, так и в аэродинамике таких винтов. Вот, наверное, шишек и насобирали.
Конструкция всё равно при этом остается несколько проще шарнирной втулки. От гироскопического стабилизатора не так просто отказаться - это своеобразный механический автопилот.
А Bo.105 уже более современный (в смысле концепции) вертолет С электронной системой стабилизации.

Дмитрий, все в значительной степени зависит от внешних условий. Если посадка происходила в спокойных условиях (слабый ветерок без порывов и изменения направления, или даже штиль), то системе стабилизации просто нечего делать. Вертолет сам ведет себя предсказуемо.
Система стабилизации пытается выдержать режим полёта вертолета, а не вращение винта. Т.е. вмешательством в управление и отклонением винта она в меру сил компенсирует возмущения мешающие вертолету.

Дмитрий, тут уже начинается более сложная область.
Однозначно сказать, что жесткий винт имеет преимущество в устойчивости перед шарнирным винтом нельзя. Т.е. если на вертолет вместо старого винта поставить жесткий винт ничего больше не меняя, то скорее всего всё ухудшится.
Сам по себе жесткий винт подобен обычному винту. Но из-за отсутствия шарниров он более эффективно передаёт моменты на вал винта. С одной строны это хорошо - улучшается управляемость, но с другой - возрастает восприимчивость к внешним возмущениям. Это опять же не значит, что вертолет с жестким винтом требует на себя большего внимания летчика. Как и и в случае с высокой втулкой Белла конструкторы оставили преимущества схемы и компенсировали недостатки.
Вертолет - слишком сложная система (система дифференциальных уравнений). На результат влияет не сколько удачность одного значения, а сколько их взаимодействие.

Объединение сигналов автопилота и управления от летчика обычно происходит на гидроусилителе, который непосредственно поворачивает автомат перекоса. Схема имеет вид двухплечей качалки: на одно плечо действует рулевая машинка автопилота, на другое - тяга от ручки летчика. Сумма идет на золотник гидроусилителя. Предусмотрено чтобы ход управления от летчика был больше, чем максимальный ход от автопилота (на случай, если последнему что-то взбрендит в электронную голову или попросту заклинит рулевую машинку в крайнем положении).