Сегодня я расскажу вам про вертолеты. Не знаю, как вы, но лично я просто по уши влюблен в эти машины. Влюблен как визуально, так и просто обожаю их потроха и внутренности. Потому что вертолет — это, по–моему, самая крутая машина из всех, которые только строил человек.
Внутри будет много подробностей про вертолеты, их техническое устройство, много картинок, разоблачение стереотипов и заблуждений, а также интересные факты

Сразу должен сказать, что я являюсь просто помешанным любителем, никогда не получал специального образования в области вертолетостроения . C самого детства зачитал книги по их устройству до дыр, и сейчас грежу мечтой построить свой вертолет.

Вообще, вертолетов бывает много разных, я приложу сначала картинку, которая показывает некоторые типы вертолетов.

Буду рассказывать в основном о двух типах вертолетов: соосных под цифрой I и классической схемы под цифрой V, потому что во всем мире это самые распространенные схемы.

Вертолет — это машина компромисса. Трудно рассказать о том, как она устроена в одну историю, потому что одна тема задевает другую, другая тема задевает третью и т.д.

 

Вертолет — это машина компромисса. Трудно рассказать о том, как она устроена в одну историю, потому что одна тема задевает другую, другая тема задевает третью.

Сначала поговорим о самом просто и очевидном: у каждого вертолета есть двигатель и трансмиссия, посредством которой момент передается на винты.

Вроде такая очевидная вещь, но тут тоже есть свои нюансы: идеальный двигатель для вертолета должен обладать следующими параметрами: должен быть надежен, обладать высокой энерговооруженностью, желательно обладать высоким крутящим моментом и невысокими оборотами выходного вала.

Двигателей, которые отвечают всем этим параметрам, просто не существует. Приходится искать компромиссы.

Поэтому на большие современные вертолеты сейчас ставят два типа двигателей: поршневые и турбовальные. Последние при этом несмотря на то, что обладают высокой удельной мощностью, на выходе имеют очень высокие обороты (обычно это десятки тысяч оборотов в минуту), тогда как винту вертолета достаточно просто сотен оборотов. Из–за этого приходится ставить здоровенную трансмиссию — вот как на картинке, это редуктор от МИ–8.

 редуктор от МИ–8.

 

Тут видно, сколько он занимает места в сравнении с двигателями.
Тут видно, сколько он занимает места в сравнении с двигателями.

Это трансмиссия от МИ–28 — видно вал и редуктор, который идет к хвостовому винту.
трансмиссия от МИ–28

 

У соосного вертолета редуктор должен вращать нижний винт в одну сторону, а верхний винт в другую.
Пример фотографии редуктора самодельного соосного вертолета. Довольно небольшой редуктор, но и сам вертолет очень небольшой.
Пример фотографии редуктора самодельного соосного вертолета.

Фотография самого вертолета, называет он «Братишка»

Братишка

Вертолёт Братишка

 

Кстати говоря, у соосного вертолета верхний и вижний винты всегда связаны, т.е. если вращается верхний винт, то он будет вращать нижий и обороты у них будут равны — это очень важная особенность соосных вертолетов.

Авторотация

Авторота́ция — режим вращения воздушного винта летательного аппарата или турбины двигателя, при котором энергия, необходимая для вращения, отбирается от набегающего на винт потока. Термин появился между 1915 и 1920 годами в период начала разработок вертолётов и автожиров и означает вращение несущего винта без участия двигателя.

Авторотация — это особое состояние вертолета, которая часто бывает штатным и помогает пилотированию, а в некоторых случаях спасает жизни, так как без авторотации, если у вертолета откажет двигатель (а двигатель — это то, что чаще всего и отказывает), вертолет просто разобьется.

Во–первых, чтобы вертолет мог авторотировать, у него должна стоять муфта свободного хода. Я ниже напишу о ней. Эта штука позволяет винту свободно вращаться, когда двигатель отключен. Без нее авторотация невозможна.

Авторотация возникает при определенных условиях, одно из таких условий — начальная скорость вращения винта. Если винт изначально вращался недостаточно, то ни о какой авторотации не может идти и речи. Поэтому первое, что должен сделать пилот, если отказал двигатель — это как можно раньше это понять. Затем пилот должен максимально уменьшить угол атаки лопастей. Вертолет при этом будет снижаться и двигаться поступательно вперед, т.е. как раз поступательное движение вперед и создает эту самую силу, которая раскручивает винт и дает некую подъемную силу.
На картинке немного видно, как это происходит. При этом важно понять одну вещь — пилот максимально уменьшает угол атаки лопастей, который для некоторых вертолетов может равняться отрицательным значениям — 3, 4 градуса. Авторотация возможна и в какой–то степени при положительном угле атаки, но не более определенных градусов.
Авторотация

Редукторы и двигатели

Вообще редуктор, как и двигатель, может быть любыми, но они всегда есть:
Вот Ми–1, на него устанавливали звездообразный двигатель:

 Ми–1, на него устанавливали звездообразный двигатель:

На Robinson R–22 и R–44 ставят опоозитные двигатели.

Вот двигатель Д–136 самого мощного вертолета в мире Ми–26.

Вот двигатель Д–136 самого мощного вертолета в мире Ми–26.

Что же касается редукторов, то тут тоже очень много схем:

У робинсона стоит ременной редуктор.
Некоторые самоделкины ставят цепной редуктор, хотя я такое встречал очень редко.
Вот у мужчины, который собрал свой вертолет, стоит ременной привод рулевого винта. И ременной же редуктор привода несущего винта.

Вообще есть одна закономерность: на легкие вертолеты чаще ставят ременной редуктор, тогда как на тяжелые ставят только с зубчатыми колесами.

Редукторы больших вертолетов стоят очень много денег, так как каждый винтик и болтик там проверяется по многу раз, ставятся датчики металлической стружки, чтобы пилот вовремя мог адекватно реагировать и прочее и прочее.

Это очень важный узел и подходят к нему очень ответственно.

Сцепление

Дальше помимо редуктора и двигателя у большинства (но не у всех) вертолетов есть сцепление. Его выполняют по разным технологиям: иногда достаточно просто ослабить клиновой ремень, иногда ставят центробежное сцепление, иногда ставят диски сцепления, как на обыкновенных автомобилях. Сцепление нужно для того, чтобы пилот мог завести двигатель и прогреть его. После этого сцепление замыкается и момент передается на винты.

Муфта свободного хода

И еще одна важная часть вертолета, без которой не делают ни один вертолет — это муфта свободного хода или обгонная муфта. Вот такая штука:
муфта свободного хода или обгонная муфта.

Благодаря этой штуке винт может свободно вращаться, если остановится двигатель. Это очень важная деталь и без нее ни один вертолет не сможет толком летать. К тому же без нее летать будет вообще очень опасно. Об этом уже говорили выше — без этой муфты невозможно самовращение несущего винта (авторотация).
Кстати, даже у маленьких радиоуправляемых вертолетов, но профессиональных, есть такая муфта — без нее было бы невозможно делать пилотаж.

Винты и лопасти

Теперь самое интересное.
Вообще все эти вертолеты объединяет одно — у каждого вертолета есть несущий винт.
Когда вертолеты только появились, винт вертолета был похож на винт самолета. Оказалось, что такой подход ошибочен и ничего толком не дает. Несущий винт состоит из лопастей, втулки несущего винта и системы управления.
Во–первых, чтобы рассказать про винт вертолета, сначала нужно рассказать про лопасти.

Как же устроена каждая лопасть?

Сейчас лопасть вертолета похожа в большей степени на крыло самолета.
Посмотрим на лопасть в разрезе и увидим точно такой же профиль, какой применяется на самолетах. При этом самолет движется вперед, а лопасть вертолета вращается. Из–за этого лопасть винта имеет некоторые особенности: профиль лопасти у основания и профиль лопасти на конце может отличаться; лопасти вертолета могут иметь «крутку», т.е. у основания угол отаки лопасти больше, чем угол атаки лопасти на конце — так приходится делать из–за того, что скорость движения лопасти у основания ниже, чем скорость на конце, соответственно конец лопаси создает большую подъемную силу.

Еще одна интересная вещь, о которой многие не знают — подъемная сила на лопасти вертолета создается в большей степени ее верхней частью, а не нижней. Т.е. лопасть как бы стремится вверх, потому что там разряжено давление, а не опирается на воздух, как многие думают. Подъемная сила от нижней части лопасти дает только 20% от общей подъемной силы.

Очень хорошее видео про аэродинамику находится тут, если кому–то будет очень интересно и нечем будет заняться на досуге. Но видео очень длинное и очень старое:

Исторически лопасти из чего только не делали: деревянные, металлические, сейчас же лопасти в основном делают из композитов, первые в этом были ОКБ Камова.

Лопасть состоит из силового элемента — лонжерона, который воспринимает нагрузку и хвостовой секции, обычно из легкого материала. Так же лопасть часто снабжают грузами, которые находятся в передней части лопасти. Это нужно для того, чтобы избежать такого неприятного эффекта как флаттер, т.е. самоколебаний лопасти — для этого центр тяжести лопасти нужно смести вперед перед центром давления. Не спрашивайте меня, почему так делают, просто так нужно делать и все!

Вообще, лопасти довольно эластичны, вот фотография Ми–8 на стоянке:

 фотография Ми–8 на стоянке:

Видно, как лопасти прогнулись под собственным весом. У гигантов типа Ми–26 зимой под давлением снега лопасти могут свисать чуть ли не до самой земли. Жесткость лопастей и не нужна — она формируется под действием центробежной силы, когда лопасти вращаются.

Вот фотография Ми–8 в полете, видно, как лопасти выгнулись в конус.
Ми–8 в полете, видно, как лопасти выгнулись в конус.

Чем больше нагрузка на лопасти, тем более выгнутый конус будет у вертолета.

Прежде чем поставить лопасти на вертолет, каждая лопасть балансируется относительно другой. Лопасти должны быть одинакового веса и у них должны совпадать центры тяжести. Помимо этого, когда лопасти вращаются, у них должна быть одинаковая подъемная сила.

Лопасти чуть–чуть отличаются по своему профилю. Но чтобы вертолет летал как надо, нужно, чтобы каждая лопасть давала определенную подъемную силу. Для этого у лопастей есть триммеры. Это такие пластинки на концах лопастей. Техники триммируют лопасти так: красят каждую лопасть в отдельный цвет свежей краской. Заводят вертолет, раскручивают лопасти. Затем подносят к образовавшемуся конусу большой лист бумаги и смотрят в каких местах лопасти ударили. Затем ровняют все лопасти к средней и делают так до тех пор, пока все лопасти не будут бить в одно место.

Тримерные пластины на лопастях лопасти вертолета Ка–22,

 

 

К вопросу о размерах вертолётов.

Это Чинук ( Boeing CH-47 Chinook) везёт автобус

Это Чинук ( Boeing CH-47 Chinook) везёт автобус
А это МИ–26 везёт Чинук
А это МИ–26 везёт Чинук

 

А это синхрокоптер. Очень интересная схема вертолетов. Вот реальный пример:

Kaman K–MAX

У каждого вертолета может быть разное число лопастей. И тут есть одно простое правило: чем меньше лопастей — тем лучше. В идеале бы строить вертолеты с 1 лопастью, но такие винты будет невозможно уравновесить. У двулопастных винтов тоже есть свои минусы, поэтому считается, что оптимальное число лопастей 3 штуки, почему так считается — я честно говоря сам не знаю, но так пишут во всех учебниках, что мол оптимальное. Почему же много лопастей — это плохо? Потому что каждая лопасть влияет на соседнюю и в итоге, чем больше лопастей, тем ниже КПД винта. Тогда почему есть вертолеты с 5ю лопастями, а Ми–26 имеет вообще 8? Дело в том, что на каждую лопасть ложится нагрузка от веса вертолета и полезного груза. Чем тяжелее вертолет и чем больше груз, тем больше нагрузка на лопасти, поэтому их приходится делать все больше и больше. К тому же, чем меньше лопастей, тем больше при равных условиях нам потребуется диаметр винта, а слишком большой диаметр винта тоже никому не нужен.

С лопастями разобрались. Теперь поговорим о втулке несущего винта. Эта часть вертолета является наиболее интересной и как раз в этом вопросе больше всего вариантов ответа и больше всего разных решений.

Дело в том, что один вертолет может кардинально отличаться от другого только лишь одной втулкой.

Изначально винт вертолета был достаточно просто: лопасти крепились к валу жестко. Считалось, чтобы вертолет поднимался или опускался нужно просто изменить обороты винта и все.
У таких машин были большие проблемы: во–первых, такой вертолет не мог толком двигаться вперд или назад: как–то только машина набирала какую–нибудь скорость — так сразу ее начинало сильно кренить.
Выяснилось, что это возникает из–за того, что лопасть, которая набегает на поток воздуха дает больше подъемной силы, чем та лопасть, которая отбегает от потока, отсюда и крен.
Вот картинка, из которой все более или менее должно быть понятно:


Решение нашли в двух вещах: во–первых, создали автомат перекоса, а во–вторых лопасти начали крепить к валу не жестко, а через шарниры.

Про автомат перекоса я расскажу в следующем комментарии, тем более он бывает разных видов и там тоже все очень интересно.

У лопастей появился осевой шарнир — благодаря ему лопасть может вращаться вокруг своей оси, тем самым меняя угол атаки лопасти. Появился горизонтальный шарнир, благодаря ему лопасть может совершать маховые движения, т.е. как бы махать. И вертикальный шарнир — лопасти могут отклоняться.

Зачем нужны такие хитрости?

Вертолет — это динамическая машина, еще эта машина должна уметь маневрировать, уметь противостоять порывам ветра и т.д.

Конструкторы, подвесив лопасти на шарниры во–первых, смогли существенно снизить нагрузки, которые возникают в местах крепления лопастей. Во–вторых лопасти за счет маховых движений позволяют вертолету самостабилизироваться: лопасть делает взмах в том случае, если у нее выросла подъемная сила, а как только он делает взмах, то подъемная сила падает — замороченная фраза я знаю.

Как раз изобретение автомата перекоса и шарнирного крепления лопастей к втулке несущего винта позволило уже создавать настоящие вертолеты — это главные изобретения вертолетостроения.

Сейчас я просто покажу различные типы креплений лопастей к валу несущего винта.

Начнем с самого простого.
Двулопастной винт, общий горизонтальный шарнир. Это самая простая схема из всех. Стоит на хуеве туче вертолетов, ее очень сильно любят самодельцы — в основном только эту схему и реализуют в виду своей простоты и дешевезны.
Самый известный — Robinson
image
Такой винт приходится крепить достаточно высоко, так как у него высокий шанс задеть хвостовую балку, посмотрите на сам вертолет:
image
Эрокез
image
Самоделкины:
image
image
image
Вообще, тысячи этих самоделок именно с такой втулкой, трудно найти самодельный вертолет без такой втулки. У вертолета «Братишка» тоже такая втулка, только там по–моему осевой шарнир сделан из торсиона.
Вот соосный вертолет с таким типо втулки, осевой шарнир так же сделан с помощью торсиона:
image
Помимо простоты и дешевезны у этой схемы есть большие минусы:
— Самая большая вибрация
— Проблемы с управляемостью: лопасти свободно болтаются на валу и с трудом передают момент, поэтому приходится хитрить: ось горизонтального шарнира находится выше осевый шарниров, хорошо видно у Робинсона.
— Из–за этого вертолет по–разному реагирует на рычаг циклического шага в зависимости от оборотов винта
— Must bumping — неприятная вещь из–за которой винт может к хуям оторваться от вала, если вертолетом неаккуратно управлять. Возникает после того, когда вертолет набирал высоту кабрированием и потом ручкой циклического шага пилот переводит вертолет в пикирование.

Подробнее по видео:

В общем, самая хуевая схема среди всех. Сейчас на меня могут налететь владельцы и пилоты Robinson и ругать меня. Но факт остается фактом — это самая хуевая схема, но ее дешевизна дала ей возможность распространиться вообще везде. Такие дела.

Tagged with →  

Добавить комментарий