Сон в летнюю ночь. Вертолёты

01.06.07.

СОН В ЛЕТНЮЮ НОЧЬ

 

«Тиряя энерцею, лапостя вирталиота ноченають ноберати ускаренее».

                И.Ольшаницкий. Из неопубликованного.

 

 

Запомнившуюся картинку своего детства я упомянул в своей полуфантастической статье «Несущие винты вертолётов». Во дворе нашего большого (как его называли, «Сумасшедшего») дома, с его 12-тью подъездами, однажды установили железные качели, подвешенные на круглой перекладине, пропущенной в отверстие подшипников, посаженных на неё. Отважные старшеклассники стали раскачиваться на этих качелях всё выше и выше, вплоть до замирания на миг в самом верхнем положении. Затем смельчаки начали и «мёртвые петли» крутить. Вспомнилось это потому,  что и лопасть вертолёта можно раскачивать относительно её радиального направления в несущем винте – аналогично тому, как мальчишки раскачивали те качели относительно направления силы тяжести. Это могло бы компенсировать разность скоростей воздушного потока на отступающей и наступающей лопастях. В какой мере?

 

«В начале 60-х годов фирма Белков по контракту с военным министерством ФРГ работает над созданием экспериментального вертолёта Во-46. На вертолёте применяется экспериментальный скоростной винт фирмы Дершмит, использующий «опережающе-запаздывающую» концепцию работы лопастей несущего винта на далеко вынесенных вертикальных шарнирах звездообразной втулки, позволяющих отклоняться лопастям в плоскости вращения на углы до 40 градусов. Эта концепция должна была обеспечить достижение в горизонтальном полёте скорости порядка 500 км/час без боязни столкнуться с проблемами сжимаемости и срыва потока воздуха на лопастях несущего винта.

После продувок такого винта в аэродинамической трубе, которые подтвердили возможность работы винта на таких скоростях, 30 января 1964 года начались лётные испытания вертолёта, но в 1966 году работы были прекращены. На основе этой концепции предполагался вариант 24-местного вертолета Р.310».

(См. «Вертолёты стран мира». Под редакцией В.Г.Лебедя. 1994. Стр. 144).

 

Поскольку я не генеральный авиаконструктор вертолётов и вообще не авиаинженер, то позволил себе в той статье вообразить приснившиеся мне лопасти, раскачивающиеся горизонтально с амплитудой не сорок, а сто сорок градусов!

А нельзя ли вообразить себе сверхзвуковой полёт беспилотной машины миниатюрных размеров при горизонтальном раскачивании её лопастей с амплитудой, например, 240 или 340 градусов?!

Мне же не жалко.   Какую максимальную амплитуду можно себе вообразить в идеале? В аналогиях с качелями я тогда немного запутался. Сейчас попробую в этом лучше разобраться.

 

До какой предельной амплитуды мальчишки раскачивали качели, замирая на мгновение вниз головой в самом верхнем положении этих  качелей? 180 градусов. 

Это так, если отсчитывать от нижнего положения качелей. А если отсчитывать от верхнего положения качелей, то амплитуда их раскачивания в два раза больше:  З60 градусов!

 

Теперь эту аналогию используем для оценки применимости концепции горизонтального раскачивания лопасти в резонанс с частотой оборотов воздушного винта вертолёта.

 

  Наибольшую угловую скорость качели имеют, проходя нижнее своё положение. А лопасть, раскачиваясь относительно направления центробежной силы, наибольшую угловую скорость раскачивания имеет в то мгновение, когда она проходит через положение в направлении центробежной силы. Таких положений у лопасти имеется два в течение одного периода колебаний. Нам нужно, чтобы эти мгновения были тогда, когда лопасть отступает и когда она наступает, то есть в направлениях вправо и влево относительно направления полёта машины. Следовательно, когда вертикальный шарнир лопасти находится впереди и когда он находится позади оси воздушного винта, лопасть отклонена по углу в свои предельные, противоположные положения относительно направления центробежной силы.

   

Амплитуду раскачивания противоположных лопастей от положения   -180 градусов до  +180 градусов относительно направления центробежной силы представить себе нельзя, поскольку лопасти не должны сталкиваться друг с другом. Однако можно кое-как вообразить себе меньшую амплитуду,  например, от  -120 до  +120 градусов. Лопасти не столкнутся, если будут находиться в разных угловых положениях на своих горизонтальных шарнирах в то время, когда будут пересекаться их проекции на горизонтальную плоскость. Одна из этих двух лопастей, когда её вертикальный шарнир находится позади оси винта, в такое мгновение является крылом обратной (отрицательной) стреловидности. В это мгновение угловое положение этой лопасти опережает направление центробежной силы на максимальный угол достигнутой амплитуды.

В это же мгновение вертикальный шарнир противоположной лопасти находится впереди оси винта и тогда она является крылом  положительной стреловидности. Угловое положение этой лопасти отстает от направления центробежной силы на такой же угол.

 

За половину оборота воздушного винта, пока вертикальный шарнир лопасти переместится по дуге 180 градусов (от точки впереди оси винта до точки, находящейся позади оси этого винта), лопасть изменит своё угловое положение относительно направления центробежной силы. От положения предельного запаздывания она качнётся в положение предельного опережения своего радиального направления на несущем винте. Противоположная лопасть качнётся за это время на такой же угол в противоположном направлении.

В абстрактном пределе угол горизонтального раскачивания лопасти мог бы быть вдвое больше угла 180 градусов, то есть угла, на который проворачивается несущий винт за половину своего оборота, - если абстрактно представить себе в работе только одну лопасть воздушного винта, как будто нет прочих лопастей.

 

Конец лопасти при таком раскачивании проходит путь в два раза больший, чем конец радиуса этого воздушного винта. При этом окружная скорость конца лопасти периодически меняется относительно направления центробежной силы от нуля до максимума по абсолютной величине.  Поэтому максимум угловой скорости раскачивания по абсолютной величине приблизительно в 4 раза превышает окружную скорость конца этой лопасти, если бы она не раскачивалась на своём вертикальном шарнире. Это огромный резерв для компенсации разности скоростей воздушного потока на конце наступающей и отступающей лопастях. Нам достаточна только малая часть из этого резерва. Достаточно раскачивать лопасть с амплитудой, в несколько раз меньшей, чем такая предельная амплитуда, то есть чем 360 градусов. Следовательно, проблема столкновения лопастей отпадает.

 

Поток воздуха на конце лопасти не должен иметь скорость большую, чем скорость околозвуковая, и даже ещё меньшая.

В существующих вертолетах лопасть почти не совершает горизонтальных раскачиваний.

Поэтому минимальная и  максимальная скорости воздушного потока на  конце  лопасти являются алгебраической суммой скоростей: окружной скорости конца лопасти и скорости вертолёта. Таковы, например, величины: 850+300=1150 и 850–300=550 км/час.

Существенно уменьшить окружную скорость невозможно, поскольку подъёмная сила воздушного винта становится недостаточной. Существенно увеличить скорость вертолёта невозможно, потому что суммарная скорость: скорость вертолёта и окружная скорость конца лопасти, - не должна достигать скорости звука. На предельных скоростях вертолёта отступающая лопасть не создаёт существенной подъёмной силы, потому что скорость потока воздуха сравнительно мала даже на конце этой лопасти.

 

Резонансное раскачивание лопастей создаёт очень большой резерв компенсации неравенства скоростей потока на конце лопастей.   Даже малая часть этого резерва позволит хорошо компенсировать разницу в скоростях потока на конце противоположных лопастей при любой воображаемой скорости вертолёта. При горизонтальном раскачивании лопасти в резонанс с частотой оборотов несущего винта максимальная окружная скорость конца этой лопасти относительно её радиального положения в конструкции этого винта должна быть приблизительно равной (а лучше, быть чуть больше) скорости вертолёта. Так, например, при скорости полёта машины 1000 км/час приблизительно такую же (чуть большую)  максимальную окружную скорость должен иметь конец раскачиваемой лопасти относительно её радиального направления в то мгновение, когда она проходит через это положение.  Скорость вертолёта 1000 км/час значительно меньше абстрактного предела для окружной скорости раскачивания конца лопасти: 1000 х 4 = 4000 км/час при упомянутой скорости полёта. Следовательно, достаточно раскачивать лопасть с амплитудой, значительно меньшей, чем 360 градусов, то есть, чем такая амплитуда, в принципе, предельная. Никакой проблемы столкновения лопастей при этом не возникает.

 

Можно вообразить себе и сверхзвуковую скорость вертолёта с резонансной раскачкой лопасти в плоскости вращения винта. При этом сверхзвуковой поток имеют только участки лопастей, расположенные около оси воздушного винта. В этом месте жёсткость лопасти очень велика, и поэтому деформации лопасти достаточно незначительны.

 

Представляется, что вертолёт, в котором используется концепция значительного запаздывания и опережения лопасти относительно направления центробежной силы в резонанс с частотой вращения винта, должен иметь для компенсации динамического дисбаланса два соосных винта по две, по три или по четыре лопасти.

 

Эти винты должны вращаться в одном направлении со сдвигом по фазе на полпериода.

Ещё желательнее вращение этих винтов в противоположных направлениях.

 

Весьма возможно, что проблема борьбы с вибрациями будет очень серьёзной. Но ведь проблема борьбы с вибрациями вертолёта и в пятидесятые годы казалась непреодолимой. Всяких технических проблем при создании новых образцов техники всегда имеется предостаточно. Сейчас нам интересна пока лишь сама цель, которую желательно достигнуть реализацией концепции резонанса.

 

 

 

 

 

*     *     *