Экспериментальная аэродинамика вертолета. Макеев Павел Вячеславович Кафедра «Проектирование вертолетов» Курс лекций:
Лекция №1. история развития винтокрылых летательных аппаратов; аэродинамические схемы вертолетов и СВВП; типы воздушных винтов ;
История развития винтокрылых летательных аппаратов.
Прототипы, встречающиеся в природе.
Семена Клена:
Бумера́нг — разновидность деревянной метательной палицы. В прошлом — боевое и охотничье оружие в Древнем Египте, Южной Индии, Юго-Восточной Азии. У австралийских аборигенов распространены возвращающиеся бумеранги, представляющие собой изогнутую пластину с нижней плоской поверхностью и верхней — выпуклой.
Реализация: В 1950-х гг. исследователи впервые попытались создать беспилотные летательные аппараты, которые бы повторяли форму крылатки. Однако их эксперименты не принесли желаемых результатов. Созданные модели оказывались нестабильными. Специалисты из университета Мериленда сконструировали свой вариант беспилотника, который может оказаться востребованным для проведения разведывательных операций, а также при чрезвычайных ситуациях. Созданная ими модель является радиоуправляемой. Она может легко взлетать с земли, вращаясь в воздухе по спирали. Ее можно сбрасывать с самолета или запускать с руки
Винт в технике
Винт Архимеда — механизм, исторически использовавшийся для передачи воды из низколежащих водоёмов в оросительные каналы. Он был одним из нескольких изобретений и открытий, традиционно приписываемых Архимеду, жившему в III веке до н. э.
Идея вертолета Исследователи относят первенство идеи вертолета китайцам. Известно, что в IV веке нашей эры в книге "Пао Фу То" рассказывается об умельце, который описывает деревянный аппарат с винтом на вертикальном валу, приводимый в движение ремнями.
Леона́рдо да Ви́нчи 15 апреля 1452 — 2 мая 1519. Великий итальянский живописец, скульптор, архитектор и учёный , один из крупнейших представителей искусства Ренессанса. Опередил своё время на несколько веков. Парашют Летательные аппараты Колесцовый замок Велосипед Танк Лёгкие переносные мосты для армии. Прожектор Катапульта Робот Двухлинзовый телескоп. Некоторые изобретения: Первая модель вертолета.
"Я полагаю, что, если это устройство винта правильно изготовить, то есть если винт сделать из льняной ткани и поры ткани пропитать крахмалом, а за счет механизма придать быстрое вращательное движение винту, то это устройство поднимется в воздух" - Леонардо да Винчи, 1486 год Леонардо был первым человеком, употребившим слово « геликоптер ». Слова « спираль » и « крыло » в его переводе с греческого стали звучать как « хеликс » (« helix ») и « птерон » (« pteron »).
Михаи́л Васи́льевич Ломоно́сов 8 ноября 1711 — 4 апреля 1765. Первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист, химик, физик, астроном, приборостроитель, географ, металлург, геолог, поэт, поборник развития отечественного просвещения, науки и экономики. Разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь. Первый полет модели вертолета.
12 декабря 1754 года на заседании Санкт-Петербургской академии наук Михаил Васильевич Ломоносов продемонстрировал действующую модель летательного аппарата - прообраз современного вертолета. Предназначенная для изучения атмосферных явлений, модель поднялась на два десятка метров. Это было первое в мире документированное испытание летательного аппарата тяжелее воздуха. Винты "аэродинамической машины" Ломоносова приводились в действие часовой пружиной, помещенной в коробку. Однако мощности пружины было недостаточно для того, чтобы модель могла подняться вверх самостоятельно. Ученому пришлось пойти на хитрость. Уравновесив модель при помощи груза, перекинутого через блок, подвешенный к потолку, Ломоносов запустил пружину и модель взлетела.
Модели «аэродинамической машины» М.В. Ломоносова
Однако сказать, что вертолет появился в XVIII в., было бы не правильно. Впрочем, как нельзя назвать вертолетом и модель, созданную в 1842 г. англичанином У.Т. Филлипсом. Хотя нельзя не отдать должное его оригинальному аппарату, в котором использовался реактивный принцип вращения несущего винта. Для этого из концов лопастей вырывался находившийся под давлением пар, который и вращал ротор. В 1853-1860 годах во Франции Понтон д'Амекур разработал проект летательной машины – «аэронефа». Аэронеф должен был подниматься вверх с помощью двух винтов, насаженных на одну вертикальную ось и вращающихся в противоположные стороны. Для горизонтального передвижения машины служил специальный винт на горизонтальной оси. Винты предполагалось приводить во вращение специально сконструированным паровым двигателем.
Wout — механическая работа, Дж; Qin — затраченное количество теплоты, Дж. = 1 … 8 % КПД парового двигателя: 1 л.с. = 735 Вт; 1 кВт = 1,36 л.с. (КПД ДВС = 20 … 45 % ) Мощность паровоза до 3000 л.с, вес до 100-150 тонн (пустого) Мощность вертолетного двигателя ТВ3-117 до 2200 л.с. при сухом весе около 300 к.г. Двигатель - ограничение возможности создания вертолета на рубеже 19-20 вв.
Лишь в начале XX в. можно было с уверенностью сказать о том, что в распоряжении человека появился еще один вид летательных аппаратов — вертолет. 16 сентября 1907 г. во Франции было объявлено о создании братьями Бреге первого в мире вертолета, способного оторваться от земли с человеком на борту. « Gyroplane » (« Жироплан »), как назвали создатели свой летательный аппарат, приводился в движение одним бензиновым двигателем, соединенным с 4 винтами. Однако это не был свободный полет, поскольку 4 человека на земле обеспечивали устойчивость вертолета, подпирая его длинными деревянными шестами, которые, хотя и не способствовали созданию подъемной силы, но определенным образом ограничивали управление. Луи и Жак Бреге Первый вертолет с человеком на борту.
« Gyroplane » братьев Бреге
Поль Корню (1907 год) 1881 – 1944 гг. Французский инженер. Первый полет вертолета с человеком на борту. Первым человеком, поднявшимся в воздух на вертолёте, был французский производитель велосипедов Поль Корню. 13 ноября 1907 он построил вертолёт, поднявший его вертикально в воздух на высоту 50 см и провисевший в воздухе 20 секунд. Основное достижение Корню состояло в попытке сделать вертолёт управляемым, для чего изобретатель установил под винтами специальные поверхности, которые, отражая поток воздуха от винтов, давали аппарату определённый запас манёвренности. Но вертолёт был плохо управляемым.
- схема вертолета Поля Корню
- вертолет Поля Корню
И́горь Ива́нович Сико́рский 25 мая 1889 — 26 октября 1972 Русский и американский авиаконструктор, учёный, изобретатель, философ. Создатель первых в мире: четырёхмоторного самолёта «Русский витязь» (1913 год), пассажирского самолета «Илья Муромец» (1914 год), трансатлантического гидроплана, серийного вертолёта одновинтовой схемы (США, 1942 год).
11 сентября 1909 года появился первый вертолет конструктора Игоря Сикорского. Он был построен по двухвинтовой соосной схеме. Двигатель Anzani мощностью 18 л.с. приводил в движение двухлопастные несущие винты, вращавшиеся в противоположные стороны с частотой 160 об./мин. Их диаметры были различными: диаметр верхнего был равен 4,6 м, нижнего – 5 м. Вертолет Сикорского с успехом демонстрировался на воздухоплавательной выставке в Киеве 18-19 ноября 1909 года. Однако оторвать от земли свою первую машину Игорю Сикорскому так и не удалось.
Бори́с Никола́евич Ю́рьев 29 октября 1889 — 14 марта 1957 Выдающийся ученый-авиатор, действительный член Академии наук СССР, генерал-лейтенант инженерно-технической службы.
До изобретения автомата перекоса ни о каком управляемом полёте на вертолёте не могло быть и речи. 18 мая 1911 года выдающийся инженер Б. Н. Юрьев опубликовал « схему одновинтового вертолёта с рулевым винтом и автоматом перекоса лопастей ». До настоящего времени этот механизм используется на большинстве вертолётов.
18 мая 1911 года Б.Н. Юрьев опубликовал схему одновинтового вертолета. Его вертолет был оснащен двухлопастным винтом диаметром 9 м, который должен был развивать подъемную силу, необходимую для вертикального подъема, а также автоматом перекоса, позволяющим пилоту изменять направление равнодействующей силы тяги. Специальный рулевой винт и автомат перекоса должны были служить для сохранения устойчивости аппарата в воздухе. В 1912 году был построен макет, но из-за отсутствия денег работа не была продолжена.
В конце 1912 года после нескольких полетов на привязи совершил свой первый свободный полет летательный аппарат датчанина Якоба Кристиана Эллехаммера. Это был первый вертолет с циклическим управлением шагом винта. Радиальный двигатель мощностью 36 л.с. приводил в действие вращающиеся в противоположных направлениях винты диаметром 7,5 м. Испытания винтокрыла продолжались до 1916 года, когда из-за ошибки пилота вертолет врезался в землю и был разрушен. Вертолет Якоба Эллехаммера (1912 год)
В 1921 году русский авиаконструктор Георгий Александрович Ботезат (он покинул Россию в 1918 году) предложил американской армии свой проект вертолета. Первый полет винтокрылой машины Ботезата состоялся 18 декабря 1922 года, 19 января 1923 года машина подняла в воздух двух человек на высоту 1,2 м, 17 апреля пассажиров было уже четверо. Вертолет Ботезата был оснащен двигателем Ron мощностью 180 л.с., имел 4 шестилопастных несущих винта. Позднее этот двигатель был заменен на BR-2 Bently мощностью 200 л.с. Конструкцию вертолета усложняли 2 рулевых винта с приводом для путевого управления и еще 2 вспомогательных винта для торможения при посадке. Вертолет Ботезата 1922 г.
С 1919 по 1925 годы аргентинец Поль Патерас Пескара построил несколько моделей вертолетов в Испании и Франции. Его машины могли летать на режимах вертикального подъема, горизонтального полета, висения и планирующего спуска в случае остановки двигателя. Однако наиболее удачным оказался Pescara №3. На нем 24 апреля 1924 года П. Пескара установил первый мировой рекорд дальности полета на вертолете – 736 м. В качестве силовой установки использовался двигатель Hispano-Suiza мощностью 180 л.с., который приводил в движение соосные винты, вращавшиеся в противоположных направлениях. Каждый несущий винт имел по четыре двойные лопасти (восемь индивидуальных лопастей), и быо оснащен автоматом перекоса. Вертолет Пескара 1919-1925 гг.
14 августа 1932 года А.М. Черемухин установил на первом советском вертолете ЦАГИ 1-ЭА неофициальный мировой рекорд высоты полета – 605 м. ЦАГИ 1-ЭА проектировался по схеме Б.Н. Юрьева, разработанной им еще в начале века. Два поршневых двигателя М-2 мощностью 120 л.с. каждый вращали четырехлопастный несущий винт. Лопасти смешанной конструкции имели сложную эллиптическую форму и отличались аэродинамической компоновкой, которая обуславливала высокие тяговые характеристики несущего винта. ЦАГИ 1-ЭА был оснащен автоматом перекоса конструкции Б.Н. Юрьева, обеспечивающим управление общим и циклическим шагом лопастей несущего винта. Первый полет ЦАГИ 1-ЭА совершил в августе 1930 года. Первый полноценный вертолет ЦАГИ-1ЭА (1932 г.)
14 сентября 1939 года И.И. Сикорский впервые оторвал от земли свой вертолет. Им стал VS-300 (S-46). Вертолет имел простой ферменный фюзеляж на нем был установлен двигатель Lycoming мощностью 65 л.с. Хвостовой однолопастный рулевой винт располагался на длинной коробчатой балке, склепанной из листовой стали. 13 мая 1940 года Игорь Сикорский совершил первый полет на S-46 без привязи. Вертолет продержался в воздухе более пятнадцати минут. 6 мая 1941 года вертолет Сикорского установил мировой рекорд пребывания в воздухе – 1 ч 32 мин 49 с. Вертолет S-46 Сикорского
4 марта 1940 года к разработке нового вертолета «Омега» приступило ОКБ-3 МАИ под руководством И.П. Братухина. В основу его конструкции была положена двухвинтовая поперечная схема. Два двигателя мощностью 220 л.с. каждый вращали два трехлопастных несущих винта. Последующие разработки КБ И.П. Братухина, в частности, вертолеты «Омега-II» и Г-3 были созданы на базе первой «Омеги». Этот аппарат на целое десятилетие определил концепцию вертолетов конструкции И.П. Братухина. 18 августа 1946 года на авиационном параде в Тушино впервые демонстрировались двухвинтовые вертолеты поперечной схемы «Омега-II» и Г-3. Вертолет «Омега» Братухина
В 1942 году немецкий вертолет Flettner Fl-282 Kolibri взлетел с крейсера «Кельн», став первым вертолетом палубной авиации. Вертолет был оснащен двигателем Bramo -14A, установленным в середине фюзеляжа. Два двухлопастных винта были синхронизированы так, чтобы их лопасти оказались параллельными при угле поворота 45°. Угол установки винтов был 12° в сторону от фюзеляжа и 6° – вперед. Fl-282 Kolibri был выполнен по схеме с пересекающимися роторами: левый вращался против часовой стрелки, правый – по часовой стрелке. Такая схема обеспечивала хорошую управляемость и позволяла сделать конструкцию компактной. Вертолет Kolibri
14 января 1942 года состоялся первый полет вертолета R-4 фирмы Sikorsky . Двухместный R-4, стал первым в мире серийным вертолетом. Звездообразный двигатель воздушного мощностью 175 л.с., расположенный в центре фюзеляжа, приводил в движение трехлопастный несущий винт. 30 мая 1942 года он был принят на вооружение американской армии. Вертолет R4 Sikorsky первый в мире серийный вертолет
Весной 1943 года совершил первый полет WNF-342 Фридриха Доблхофа – первый в мире реактивный вертолет. На нем устанавливали обычный поршневой двигатель Walter Mikron , который, работая, как компрессор, подавал сжатый воздух, смешанный с топливом, к расположенным на концах лопастей камерам сгорания. Возникающая реактивная струя вращала несущий винт. Вертолет WNF-232 первый в мире реактивный вертолет
30 августа 1944 года совершил первый демонстрационный полет вертолет ХН-44 американского конструктора Стенли Хиллера. Это был первый удачный вертолет с соосными несущими винтами и первый вертолет с цельнометаллическими лопастями несущих винтов. Вертолет XH-44 первый в мире удачный соосный вертолет
7 марта 1945 года совершил первый полет вертолет PV-3 (получивший в ВМС США обозначение HRP-1) конструктора Фрэнка Пясецкого. В историю мирового вертолетостроения этот аппарат вошел как первый серийный двухвинтовой вертолет продольной схемы. Оснащенный двигателем мощностью 600 л.с, вертолет развивал скорость до 193 км/ч. Вертолеты этого типа поступали в экспериментальные эскадрильи ВМС США и морской пехоты. Вертолет HRP-1 первый в мире вертолет продольной схемы
12 ноября 1947 был осуществлен первый полет вертолета Ка-8 конструктора Н.И. Камова. Первый отечественный вертолет соосной схемы – сверхлегкий Ка-8 представлял собой простую конструкцию из стальных труб с открытым креслом летчика, укрепленную на двух надувных цилиндрических баллонах. Он оснащался мотоциклетным двухцилиндровым, приводившим в действие два соосных трехлопастных винта диаметром 5,6 м, вращавшихся в противоположных направлениях. Вертолет К - 8 первый отечественный вертолет соосной схемы, первый вертолет Н. И. Камова
В 1947 году началось проектирование одновинтового трехместного вертолета конструкции М.Л. Миля. Он был оснащен поршневым двигателем мощностью 575 л.с., который вращал трехлопастный несущий винт диаметром 14,3 м. В 1950 году были завершены государственные испытания, вертолет пошел в серийное производство на Московском вертолетном заводе. Вертолет Ми - 1 первый вертолет М.Л. Миля
Аэродинамические схемы вертолетов. принцип классификации
одновинтовая; одновинтовая с реактивным приводом; двухвинтовая соосная; двухвинтовая продольная; двухвинтовая поперечная; двухвинтовая с перекрещивающимися винтами;
Реактивный момент. Возникающий от несущего винта вертолета большой реактивный момент требует специальных технических решений для его компенсации (т.е. для балансировки вертолета относительно оси 0Y ), и эти решения фактически определяют облик (аэродинамическую схему) вертолета. В соответствии со способом уравновешивания реактивного крутящего момента вертолеты классифицируют по следующим схемам: одновинтовая с рулевым винтом, двухвинтовая соосная, двухвинтовая продольная, двухвинтовая поперечная и одновинтовая с реактивным приводом винта.
Способы компенсации реактивного момента для одновинтового вертолета.
Классический рулевой винт Ми-28Н
Hughes 500N NOTAR Система « NOTAR »
Фенестрон
Преимущества и недостатки: NOTAR Рулевой Винт Фенестрон уменьшение шума и вибраций безопасность, надежность недостаточная маневренность меньшая эффективность чем у РВ уменьшение потребной мощности на горизонтальном полете безопасность, надежность большая масса шум эффективность маневренность опасность большая мощность 10% от мощности двигателей
К каким схемам относятся следующие далее вертолеты ?
одновинтовая; одновинтовая с реактивным приводом; двухвинтовая соосная; двухвинтовая продольная; двухвинтовая поперечная; двухвинтовая с перекрещивающимися винтами; Аэродинамические схемы вертолетов:
Аэродинамические схемы СВВП и конвертопланов.
AH-56A «Шайен» Sikorsky X2 Eurocopter X3 S-72
Ротодайн Ка-22 V-22 Bell X-22
Воздушные винты
Воздушные винты относятся к классу лопаточных машин, рабочим элементом которых являются вращающиеся лопасти или лопатки. Назначение создание силы тяги по оси вращения или под углом к ней создание крутящего момента на валу перемещение масс воздуха
Типы воздушных винтов
Воздушные винты ветряки несущие винты рулевые винты пропеллеры несуще-тянущие винты вентиляторы
Винты шарнирные безшарнирные Шарниры необходимы для обеспечения изменения угла установки ( ОШ ), и обеспечения махового движения лопастей с целью избежания передачи момента на втулку лопасти ( ГШ, ВШ )
Винты шарнирные безшарнирные несущий винт пропеллер ВИШ (винт изменяемого шага) рулевой винт несуще- тянущий винт пропеллер (не изменяемого шага) вентилятор
Основные геометрические характеристики винтов
Геометрические характеристики винта
Геометрические характеристики профиля лопасти винта
В аэродинамике винта чаще используются относительные величины геометрических характеристик профиля, отнесенные к хорде лопасти (сечения лопасти) - b например: В аэродинамике винта чаще используются относительные величины геометрических характеристик винта, отнесенные к радиусу винта (сечения лопасти) - R например: аналогично здесь R – характерный размер здесь b – характерный размер
Поскольку геометрия профиля и угол его установки как правило изменяются по длине лопасти, в аэродинамике винта используется понятие характерного радиуса r x. На характерном радиусе угол установки сечения лопасти φ определяет угол установки винта (шаг винта). характерный радиус винта несущие винты: r x = 0,7 пропеллеры: r x = 0,75 r x = 0,7 r x = 0,75
В качестве характерной площади винта используется площадь его ометаемой поверхности: Важным параметром винта является нагрузка на ометаемую площадь : где Т – тяга винта Так же важным параметром является заполнение винта :
геометрические характеристики несущего винта
геометрические характеристики пропеллера
ветряки несущие винты рулевые винты пропеллеры несуще-тянущие винты вентиляторы Рассмотрим подробнее основные типы воздушных винтов:
пропеллеры Служат для создания силы тяги, преодолевающей сопротивление аппарата при движении. Тяга пропеллера Т направлена по направлению полета. Совершенство пропеллера, развивающего силу тяги Т при движении аппарата со скоростью V 0, определяется полетным К.П.Д. - полезная мощность, создаваемая винтом - суммарная мощность, потребляемая винтом
КПД пропеллера изменяется в большом диапазоне и может достигать 0,9 Пропеллеры имеют большую нагрузку на ометаемую площадь (до и более) Винты изменяемого шага (ВИШ) более выгодны, так как позволяют подбирать наивыгоднейший угол установки (шаг) для соответствующего режима полета. Для получения большей силы тяги при меньшем диаметре применяют соосные винты, у них так же отсутствует и реактивный момент. Различают винт правого и левого вращения. Правый движется вперед если его вращать по часовой стрелке, смотря на него с тыльной стороны.
несущие винты Служат для создания силы тяги, уравновешивающей вес вертолета, а также пропульсивной силы для движения. При помощи несущего винта так же осуществляется управление вертолетом. Тяга пропеллера Т направлена по направлению полета. Совершенство НВ, развивающего силу тяги Т на режиме висения ( V 0 = 0), определяется относительным К.П.Д. - осевая составляющая индуктивной скорости в плоскости вращения НВ - идеальная (минимально возможная мощность на создание тяги)
КПД несущего винта обычно находится в пределах 0,65 – 0,73 Несущие винты имеют нагрузку от 15 до 70 в зависимости от класса (легкий/тяжелый вертолет). Лопасти несущего винта имеют как правило шарнирное крепление к втулке.
несуще-тянущие винты Устанавливаются на СВВП с поворотными крыльями или поворотными винтами. На режиме вертикального взлета и посадки создают силу тяги, уравновешивающую вес аппарата. На режиме горизонтального полета уравновешивают силу сопротивления (вес аппарата уравновешивает крыло) Сила тяги на висении на порядок больше, чем на горизонтальном полете, т.к. отношение этих сил равно качеству самолета, которое у СВВП равно 8-12. Для обеспечения приемлемых значений КПД для обоих режимов, геометрические характеристики выбираются компромиссными.
вентиляторы Предназначены для перемещения заданных объемов воздуха в какой-либо магистрали. Совершенство вентиляторов оценивается вентиляторным КПД - скорость воздуха в плоскости вентилятора - сила тяги вентилятора - мощность подводимая к валу вентилятора - объемный расход воздуха - развиваемый перепад давления
ветряки Используют энергию набегающего потока для создания крутящего момента на валу. Авиационные ветряки применяются в качестве аварийного привода. КПД ветряка равен отношению полезной мощности, которая с нег отнимается L к полной мощности, отбираемой у воздушного потока TV 0.
